特開 2023-103697 炭素固定・水素生成システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023103697

(43)【公開日】2023-07-27

(54)【発明の名称】炭素固定・水素生成システム

(51)【国際特許分類】

   C01B 32/50 20170101AFI20230720BHJP

   C01B 3/12 20060101ALI20230720BHJP

   C01F 5/24 20060101ALI20230720BHJP

   C01F 5/04 20060101ALI20230720BHJP

   C01B 32/205 20170101ALI20230720BHJP

【ＦＩ】

C01B32/50

C01B3/12

C01F5/24

C01F5/04

C01B32/205

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022004368

(22)【出願日】2022-01-14

(71)【出願人】

【識別番号】506213382

【氏名又は名称】アンヴァール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100204467

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 好文

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100195833

【弁理士】

【氏名又は名称】林 道広

(72)【発明者】

【氏名】櫻井 重利

【テーマコード（参考）】

4G076

4G146

【Ｆターム（参考）】

4G076AA02

4G076AA16

4G076AB06

4G076AB18

4G076BA09

4G076BH01

4G076DA29

4G076DA30

4G146AA02

4G146BA09

4G146BB22

4G146BC04

4G146BC35

4G146BC36

4G146CB13

4G146CB26

4G146DA04

4G146DA38

4G146JA02

4G146JB03

4G146JB06

4G146JC02

4G146JC03

4G146JC36

(57)【要約】

【課題】二酸化炭素の排出を抑制しつつ、高効率で水素を生成可能な炭素固定・水素生成システムを提供する。
【解決手段】酸化マグネシウムと炭素と水を反応室６０で反応させて水素を生成させる水素生成装置６を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化マグネシウムと炭素と水を反応室で反応させて水素を生成させる水素生成装置を備えることを特徴とする炭素固定・水素生成システム。

【請求項2】

二酸化炭素をマグネシウムと反応させる燃焼装置を備え、前記燃焼装置で生成された酸化マグネシウムと炭素を前記反応室に供給することを特徴とする請求項１に記載の炭素固定・水素生成システム。

【請求項3】

二酸化炭素をマグネシウムと反応させる燃焼装置を備え、前記燃焼装置で生成された酸化マグネシウムと炭素と一酸化炭素を前記反応室に供給することを特徴とする請求項１に記載の炭素固定・水素生成システム。

【請求項4】

前記炭素は、１０００℃以上の高温状態で前記水素生成装置に供給されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の炭素固定・水素生成システム。

【請求項5】

前記酸化マグネシウムと前記炭素は、粉末状の酸化マグネシウム粉末と炭素粉末であり、
前記酸化マグネシウム粉末と前記炭素粉末を混合させた状態で前記水素生成装置に供給する流路を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の炭素固定・水素生成システム。

【請求項6】

前記燃焼装置は、前記二酸化炭素と前記マグネシウムの反応を利用して回転されるガスタービンを有し、
前記流路は、前記ガスタービンのケーシングに設けられることを特徴とする請求項５に記載の炭素固定・水素生成システム。

【請求項7】

前記炭素は、黒鉛化されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の炭素固定・水素生成システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭素固定・水素生成システムに関する。

【背景技術】

【0002】

水素は、燃焼させても二酸化炭素を排出せず、水の電気分解による生成だけでなく、石油や天然ガスなどの化石燃料をはじめとする様々な資源からの生成が可能であることから、クリーンな次世代エネルギ資源として注目されている。

【0003】

水の電気分解による水素の生成は、二酸化炭素を排出しないクリーンな生成方法ではあるものの、電気分解に使用される電力を全て再生可能エネルギにより賄うにはコスト高となるという問題があり、工業的な水素の生成方法としては、天然ガス（メタン）の水蒸気改質（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２）がコスト安であることから主流となっている。しかし、天然ガスのような化石燃料の埋蔵量には限りがあることから、これらに頼らない水素生成の技術開発が進められている。

【0004】

特許文献１には、廃棄物から水分を回収し、回収した水を過熱水蒸気として廃棄物に噴射し乾留した後、乾留ガスおよび乾留残渣（炭）を過熱水蒸気と共に高温反応室に導入することにより、水性ガス反応（Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２）により水素と一酸化炭素主体の燃料ガスを精製する技術が記載されている。詳しくは、水蒸気と乾留ガスの混合物の温度を９００℃以上に高めることにより、乾留ガスに含まれる油分や炭から水性ガス反応により水素と一酸化炭素を生成する。また、乾留ガス中に含まれ、水素と混合されることで爆発の危険性がある酸素は、水性ガス反応により生成された水素や一酸化炭素と酸化反応させることにより、水や二酸化炭素とする。さらに、乾留残渣（炭）は、２０ミクロン以下に粉砕し、水蒸気との混合物として温度を９００℃以上に高めることにより、乾留残渣（炭）から水性ガス反応により水素と一酸化炭素を生成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－２９７５２７号公報（第４頁～第７頁、第１図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１では、水性ガス反応により生成された水素や一酸化炭素主体の燃料ガスを精製しているが、水性ガス反応に付随して起こる水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）により二酸化炭素も生成されてしまうという問題がある。さらに、特許文献１では、水性ガス反応により生成された水素や一酸化炭素の一部を酸素との酸化反応に利用しなければならず、二酸化炭素の生成量が増加するだけでなく、水素の生成効率を低下させる原因となっていた。

【0007】

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、二酸化炭素の排出を抑制しつつ、高効率で水素を生成可能な炭素固定・水素生成システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するために、本発明の炭素固定・水素生成システムは、
酸化マグネシウムと炭素と水を反応室で反応させて水素を生成させる水素生成装置を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、水素生成装置の反応室において、炭素と水蒸気の水性ガス反応により水素と一酸化炭素を生成し、さらに水性ガス反応に付随して起こる一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応により生成される二酸化炭素は、酸化マグネシウムと水蒸気の水和反応により生成される水酸化マグネシウムに吸収され炭酸マグネシウムとして炭素固定されるため、二酸化炭素の排出を抑制しつつ、水性ガス反応および水性ガスシフト反応が平衡状態となることを防止し反応を生成系に偏らせることにより高効率で水素を生成することができる。

【0009】

二酸化炭素をマグネシウムと反応させる燃焼装置を備え、前記燃焼装置で生成された酸化マグネシウムと炭素を前記反応室に供給することを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼装置において、二酸化炭素中でマグネシウムを燃焼させることにより生成される不純物の少ない炭素と酸化マグネシウムを、水素生成装置における水素の生成反応に利用することができるため、塩化水素等の有害ガスが生成されない。また、燃焼装置における二酸化炭素中でのマグネシウムの燃焼反応により得られる１０００℃以上の反応熱を水素生成装置における水性ガス反応に有効利用することができる。

【0010】

二酸化炭素をマグネシウムと反応させる燃焼装置を備え、前記燃焼装置で生成された酸化マグネシウムと炭素と一酸化炭素を前記反応室に供給することを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼装置において、二酸化炭素中でマグネシウムを燃焼させることにより生成される不純物の少ない炭素と酸化マグネシウムを、水素生成装置における水素の生成反応に利用することができるため、塩化水素等の有害ガスが生成されない。また、燃焼装置における二酸化炭素中でのマグネシウムの燃焼反応により得られる１０００℃以上の反応熱を水素生成装置における水性ガス反応に有効利用することができる。さらに、燃焼装置において二酸化炭素がマグネシウムと完全に反応しない場合に生じる一酸化炭素を水素生成装置における水性ガスシフト反応に利用して水素を生成することができるため、水素の生成効率を高めることができる。

【0011】

前記炭素は、１０００℃以上の高温状態で前記水素生成装置に供給されることを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼装置におけるマグネシウムの燃焼反応により１０００℃以上の高温状態となった炭素を水素生成装置にそのまま供給することができ、高温状態で反応性の高い炭素を水蒸気と即座に反応させることができるため、言い換えれば水素生成装置内で水性ガス反応のために炭素を再加熱する必要がなく、水蒸気と即座に反応させることができるため、水素の生成効率を高めることができる。

【0012】

前記酸化マグネシウムと前記炭素は、粉末状であり、
前記酸化マグネシウムと前記炭素を混合させた状態で前記水素生成装置に供給する流路を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、粉末状の炭素の中心まで温度が高温となっており炭素はガス化しやすく、流路から水素生成装置に供給されて即座に水蒸気と水性ガスシフト反応させることができるとともに、酸化マグネシウムと水蒸気の水和反応も促進することができる。

【0013】

前記燃焼装置は、前記二酸化炭素と前記マグネシウムの反応を利用して回転されるガスタービンを有し、
前記流路は、前記ガスタービンのケーシングに設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、タービンの回転を利用してケーシング内に捕集された高温状態の炭素や酸化マグネシウムをケーシングに設けられる流路から水素生成装置に直接供給することができるため、炭素の温度低下を抑制することができる。

【0014】

前記炭素は、黒鉛化されていることを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼装置における高温の燃焼反応により生成される炭素が黒鉛化されていることにより、水素生成装置における水蒸気との反応性が高まり、水素の生成効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施例における炭素固定・水素生成システムを示す概要図である。

【図2】実施例における燃焼装置を示す模式図である。

【図3】実施例における水素生成装置を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明は、水素生成装置において、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と炭素（Ｃ）と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を反応させることで、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出を抑制しつつ、高効率で水素（Ｈ_２）を生成することが可能であることを見出し、これを契機とするものである。

【0017】

本発明に係る炭素固定・水素生成システムを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

【実施例0018】

本実施例の炭素固定・水素生成システム１は、図１に示されるように、電解装置２と、低温焼成装置３と、還元装置４と、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５（燃焼装置）と、Ｈ_２生成装置６（水素生成装置）と、Ｈ_２回収装置７と、から主に構成されており、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５における燃焼反応により生成された１０００℃以上の高温状態のＭｇＯとＣをＨ_２生成装置６に供給することにより、Ｈ_２生成装置６で生成されるＣＯ_２をＭｇＯに吸着させＣＯ_２の排出を抑制しつつ、高効率でＨ_２を生成するものである。さらに、炭素固定・水素生成システム１は、システム上流のＭｇ／ＣＯ_２発電装置５におけるマグネシウム（Ｍｇ）の燃焼反応によりＣＯ_２を炭素固定しつつ、システム下流のＨ_２生成装置６におけるＨ_２生成の材料となるＭｇＯとＣを生成するクリーンな水素生成システムである。

【0019】

電解装置２においては、海水を電解して水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）を生成する。

【0020】

低温焼成装置３においては、電解装置２で得られたＭｇ（ＯＨ）_２に後述するＭｇ／ＣＯ_２発電装置５で発生した熱（６００℃）を与えて熱分解させ（反応式１参照）、ＭｇＯを生成する。
Ｍｇ（ＯＨ）_２→ＭｇＯ＋Ｈ_２Ｏ・・・（反応式１）

【0021】

還元装置４においては、ＣａＣ_２を還元剤として、低温焼成装置３で得られたＭｇＯの還元反応を行わせ（反応式２参照）、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５の反応に利用されるＭｇを生成する。
ＭｇＯ＋ＣａＣ_２→Ｍｇ＋ＣａＯ＋２Ｃ・・・（反応式２）

【0022】

ＭｇＯの還元反応に必要なエネルギは、例えばパルスパワー波によって与えることができ、不活性ガスおよび還元性ガスの雰囲気下でパルスパワー波を照射することにより、ＭｇＯの還元効率を高めることができる。不活性ガスとしては、アルゴンガス、ネオンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等を挙げることができる。還元性ガスとしては、ＣａＣ_２との反応性が低い一酸化炭素（ＣＯ）が用いられることが好ましく、パルスパワー波の照射によりＭｇＯがプラズマ化して発生する副産物としての酸素（Ｏ_２）とＣＯが反応してＣＯ_２が発生する。尚、還元性ガスとしてのＣＯには、後述する反応式３によって得られたＣＯを回収したものが利用されてもよい。

【0023】

Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５においては、還元装置４や後述する低温焼成装置８で得られるＣＯ_２をＭｇと反応させ（下記反応式３，４参照）、炭素の固定が行われる。尚、ＣＯ_２とＭｇの反応は、発熱反応である。

【0024】

詳しくは、例えば火力発電所で生じた排気等、ＣＯ_２リッチな気体に含まれるＣＯ_２をＭｇと反応させると、ＣＯ_２はＭｇとは完全に反応せずＣＯが一部生じ、反応熱の温度が約１５００℃～約２０００℃となる（反応式３参照）。
Ｍｇ＋ＣＯ_２→ＭｇＯ＋ＣＯ・・・（反応式３）

【0025】

また、ＣＯ_２濃度が高濃度、例えば９５％以上である場合には、ＣＯ_２はＭｇと略完全に反応し、ＭｇＯと炭素（Ｃ）とが生成されＣＯは生成されず、反応熱の温度が約３０００℃以上となる（反応式４参照）。ＣＯ_２とＭｇの反応の観点からはＣＯ_２濃度が１００％であることが好ましい。本実施例においては、反応熱の温度が約２０００℃～約３０００℃となるようにＣＯ_２濃度が調整されることが好ましい。
２Ｍｇ＋ＣＯ２→２ＭｇＯ＋Ｃ・・・（反応式４）

【0026】

Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５では、反応を利用して回転されるタービン４２（ガスタービン，図２参照）を利用して、発電がおこなわれている。

【0027】

尚、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５で生成されたＣは、約２０００℃～約３０００℃で焼成されることにより、黒鉛化されている。また、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５で生成されたＣは、主にｓｐ^２混成軌道による結合を有しており、Ｈ_２をほとんど含有していない。すなわち、Ｈ_２の含有量は極微量またはゼロである。詳しくは、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５で生成されたＣは、炭素原子間においてｓｐ^２混成軌道による結合とｓｐ^３混成軌道による結合が混在するアモルファス構造を一部有しており、ｓｐ^３混成軌道による結合の割合は１％～５０％程度となっており、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５の燃焼状態にもよるが当該割合は好ましくは１％～１０％である。

【0028】

Ｈ_２生成装置６においては、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５で生成された１０００℃以上の高温状態のＭｇＯとＣを水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と反応させ（下記反応式５～８参照）、Ｈ_２の生成が行われる。尚、水蒸気の一部には、上述した反応式３によって低温焼成装置３において得られたＨ_２Ｏを回収したものが利用されてもよい。
ＭｇＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）_２・・・（反応式５）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２・・・（反応式６）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（反応式７）
Ｍｇ（ＯＨ）_２＋ＣＯ_２→ＭｇＣＯ_３＋Ｈ_２Ｏ・・・（反応式８）

【0029】

反応式５で示されるＭｇＯとＨ_２Ｏとの水和反応は、発熱反応である。反応式６で示されるＣとＨ_２Ｏとの水性ガス反応は、９００℃以上の高温が必要な吸熱反応である。反応式７で示されるＣＯとＨ_２Ｏとの水性ガスシフト反応は、発熱反応である。反応式８で示されるＭｇ（ＯＨ）_２によるＣＯ_２の吸収は、発熱反応である。反応式５，７，８の発熱反応により放出される熱は、反応式６で示される水性ガス反応やＨ_２生成装置６内の温度維持に使われる。

【0030】

Ｈ_２生成装置６において生成されたＨ_２は、Ｈ_２回収装置７に供給される。また、Ｈ_２生成装置６において生成された炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）は、低温焼成装置８に供給される。

【0031】

低温焼成装置８においては、Ｈ_２生成装置６で生成されたＭｇＣＯ_３にＭｇ／ＣＯ_２発電装置５で発生した熱（３５０℃以上）を与えて熱分解させ（反応式９参照）、ＭｇＯを生成する。
ＭｇＣＯ_３→ＭｇＯ＋ＣＯ_２・・・（反応式９）

【0032】

低温焼成装置８において生成されたＭｇＯは、還元装置４やＨ_２生成装置６に供給されることにより、Ｍｇの生成（反応式２参照）やＨ_２の生成（下記反応式５～８参照）に利用される。

【0033】

尚、電解装置２において、電解によりＭｇ（ＯＨ）_２が回収された海水には、同時に炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）が回収されることにより炭酸ガス（重炭酸イオン）が含まれていないため、該海水に還元装置４や低温焼成装置８で発生したＣＯ_２やＨ_２生成装置６でＭｇ（ＯＨ）_２により吸着しきれなかったＣＯ_２の一部を吸収させることにより、炭素を固定してもよい（点線矢印参照）。

【0034】

次いで、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５について図２を用いて詳しく説明する。図２に示されるように、本実施例のＭｇ／ＣＯ_２発電装置５は、還元装置４において還元反応に必要なエネルギをパルスパワー波によって与えることで発生したＣＯ_２リッチな導入気体Ａ１を用いて炭素固定および発電が可能となっている。

【0035】

Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５は、ＣＯ_２をＭｇと反応させる反応室３０と、ＣＯ_２リッチな導入気体Ａ１を圧縮して反応室３０に供給する供給手段２０と、反応室３０内にパルスパワー波を照射する第２パルスパワー波照射器３１と、反応室３０から供給された気体Ａ４のエネルギを用いて発電する発電手段４０と、発電手段４０の下流側に配設されＣＯ_２とＣＯを分離可能なセパレータ５１と、セパレータ５１によりＣＯが分離されたＣＯ_２を含む気体Ａ９を供給手段２０に供給する循環手段８０と、発電手段４０により発電にエネルギが使用された残気体Ａ１０を排出する排出手段９０と、を備えている。尚、以降の説明において、還元装置４側を上流側、排出手段９０の後述する第８連通路９１側を下流側として説明する。

【0036】

まず、供給手段２０について説明する。供給手段２０は、上流側から順に、還元装置４の下流側に連結された第１連通路２１と、第１連通路２１内にパルスパワー波を照射する第１パルスパワー波照射器２２と、第１連通路２１の下流側に配設された冷却器２３と、冷却器２３の下流側に配設された第２連通路２４と、第２連通路２４の下流側に連結された軸流式の圧縮機２５と、圧縮機２５の下流側および反応室３０の上流側に連結された第３連通路２６と、から主に構成されている。

【0037】

第１連通路２１は、還元装置４ばかりでなく、後述する循環手段８０の逆止弁８２とも連結されており、逆止弁８２から第１連通路２１内に気体Ａ９が流入可能となっている。

【0038】

第１パルスパワー波照射器２２は、第１連通路２１内かつ後述する逆止弁８２との合流箇所よりも上流側に配置されたプラグ２２ａから第１パルスストリーマ放電を実行可能となっている。本実施例では、第１パルスパワー波照射器２２は、半値幅８０ｎｓの高電圧を繰り返し動作で発生可能であり、充電電圧を２０ｋＶ、放電電流を１７０Ａとし、電源を５ｐｐｓ（Ｐｕｌｓｅｓ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）で運転させることで、第１パルスパワー波を照射し、第１パルスストリーマ放電を生じせしめる。このように、短パルス、高電圧小電流、短サイクルで運転させ、グロー放電やアーク放電とならないようにすることが肝要である。尚、本実施例においては、パルスパワー波によって与えることで発生したＣＯ_２リッチかつ不純物が少ない導入気体Ａ１が用いられることから、第１パルスパワー波照射器２２は配設されなくてもよい。また、導入気体Ａ１の温度によっては、冷却器２３も配設されなくてもよい。

【0039】

反応室３０は、高耐熱かつ高耐圧に形成されており、図示しない投入口からＭｇ粉末を投入可能となっている。尚、投入するＭｇは粉末以外の形状例えばフレーク状、バー状であってもよい。また、反応室３０内には、第２パルスパワー波照射器３１のプラグ３１ａが配置されており、反応室３０内で第２パルスストリーマ放電を実行可能となっている。また、反応室３０内の下流側には、ガスタービン発電装置４１のタービン４２が配置されている。本実施例では、第２パルスパワー波照射器３１は、半値幅４０ｎｓの高電圧を繰り返し動作で発生可能であり、充電電圧を１００ｋＶ、放電電流を１７０Ａとし、電源を１０ｐｐｓで運転させることで、第２パルスパワー波を照射し、第２パルスストリーマ放電を生じせしめる。このように、短パルス、高電圧小電流、短サイクルで運転させ、グロー放電やアーク放電とならないようにすることが肝要である。

【0040】

発電手段４０は、反応室３０内でＣＯ_２とＭｇとが反応することで発生した高温高圧の気体Ａ４を用いて発電可能なガスタービン発電装置４１を有している。ガスタービン発電装置４１は、高温高圧の気体Ａ４の圧力により回転されるタービン４２と、タービン４２の回転に応じて発電可能な発電装置４３と、から主に構成されている。

【0041】

セパレータ５１は、反応室３０の下流側に連結された第４連通路５０の下流側に配設されている。また、セパレータ５１の下流側には、気体Ａ７からＣＯが回収された気体Ａ８が流入する第５連通路７０と、回収したＣＯによりＣＯ濃度が高い気体Ａ１１が流入する第７連通路７１がそれぞれ連結されている。また、第７連通路７１の下流側には、ＣＯの貯蔵タンク７２が連結されている。

【0042】

循環手段８０は、上述した第５連通路７０と、第５連通路７０の下流側に連結された三方向弁Ｖと、三方向弁Ｖの一方の下流側に連結された第６連通路８１と、第６連通路８１の下流側に連結された逆止弁８２と、から主に構成されている。

【0043】

排出手段９０は、上述した第５連通路７０と、三方向弁Ｖと、三方向弁Ｖの他方の下流側に連結され、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５の外部に連通する第８連通路９１と、から主に構成されている。尚、図２では、三方向弁Ｖの第８連通路９１が連結されている弁が閉弁状態となっている。

【0044】

次に、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５の動作について説明する。還元装置４で得られたＣＯ_２リッチな導入気体Ａ１は、第１連通路２１に流入される。導入気体Ａ１は、ＣＯ_２濃度が約７０％以上であり、ＣＯ_２以外にも、窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）等が含まれている。また、導入気体Ａ１の温度は、３００℃程度であり、単位時間当たりの流量は、０．１×１０^－４ｍ^３／ｓである。

【0045】

矢印で示されるように、第１連通路２１内に導入された導入気体Ａ１は、第１パルスパワー波照射器２２のプラグ２２ａから連続的に照射され続けている第１パルスストリーマ放電により発生している非熱平衡プラズマにより、導入気体Ａ１に含まれるＨ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ等の反応が促進され不純物がさらに少なくなる。

【0046】

導入気体Ａ１は、矢印で示されるように、冷却器２３に導出されて冷却され、約３０℃程度の気体Ａ２となる。気体Ａ２は、矢印で示されるように、第２連通路２４を通過した後、圧縮機２５により圧縮される。

【0047】

矢印で示されるように、圧力約２．０ＭＰａ、単位時間当たり流量５．０×１０^－５ｍ^３／ｓの圧縮・加圧された気体Ａ３が第３連通路２６を通過してＭｇ粉末が投入されている反応室３０に流入する。反応室３０内では第２パルスパワー波照射器３１のプラグ３１ａから短時間の第２パルスストリーマ放電が行われ、反応室３０内に非熱平衡プラズマが発生する。この非熱平衡プラズマにより、気体Ａ３に含まれるＣＯ_２とＭｇが直接反応し、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、炭素（Ｃ）、一酸化炭素（ＣＯ）等が生成されることを確認した。すなわち、ＣＯ_２の炭素固定がなされ、気体Ａ３のＣＯ_２濃度が低減された。

【0048】

この反応により、反応熱が発生し、反応室３０内の温度が約２０００℃～約３０００℃となった。第２パルスパワー波照射を停止した以降にも、反応室３０内に気体Ａ３が流入することで、ＣＯ_２とＭｇとが連続的に反応することが観察された。

【0049】

このように、ＭｇとＣＯ_２とがまだ反応していない状態では、第２パルスストリーマ放電をトリガーとしてＭｇとＣＯ_２とを反応させることが可能であり、ＭｇとＣＯ_２との反応が開始して以降の反応については、発生する高温の反応熱により連続的に反応させ続けることができる。

【0050】

また、ＣＯ_２とＭｇとの反応により、気体Ａ３の温度が急激に上昇することに伴って、気体Ａ３が急激に膨張するため、高温高圧の気体Ａ４となり、下流側に噴出される。

【0051】

気体Ａ４は、矢印で示されるように、反応室３０の下流側からセパレータ５１に流入しようとする。このとき、気体Ａ４は、反応室３０とセパレータ５１との間に配設されているガスタービン発電装置４１のタービン４２を回転させる。この気体Ａ４の通過に伴いタービン４２が回転されることにより、ガスタービン発電装置４１の発電装置４３による発電が行われる。

【0052】

セパレータ５１では、気体Ａ７に含まれるＣＯが分離されるため、高濃度のＣＯが含まれる気体Ａ１１と、ＣＯが分離された残りの気体である気体Ａ８に分離される。高濃度のＣＯが含まれる気体Ａ１１は、矢印で示されるように、第７連通路７１を通じて貯蔵タンク７２に封入される。

【0053】

一方、ＣＯが分離された残りの気体である気体Ａ８は、矢印で示されるように、第５連通路７０に導出される。第５連通路７０には、気体Ａ８に含まれるＣＯ_２濃度を測定可能な図示しない濃度センサが設けられており、ＣＯ_２濃度が一定（本実施例では、１０ｖｏｌ％）以上である気体Ａ９の場合には、三方向弁Ｖの第８連通路９１側が閉弁状態となり、第５連通路７０および第６連通路８１側が開弁状態となる。これにより、気体Ａ９は、矢印で示されるように、三方向弁Ｖ、第６連通路８１および逆止弁８２を通じて、第１連通路２１に導出され、導入気体Ａ１と共に上述したサイクルが繰り返し行われることとなる。

【0054】

また、ＣＯ_２濃度が一定（本実施例では、１０ｖｏｌ％）未満である残気体Ａ１０の場合には、三方向弁Ｖの第６連通路８１側が閉弁状態となり、第５連通路７０および第８連通路９１側が開弁状態となる。これにより、残気体Ａ１０は、点線矢印で示されるように、三方向弁Ｖおよび第８連通路９１を通じて外部に排出される。

【0055】

次いで、Ｈ_２生成装置６について図２および図３を用いて詳しく説明する。図２および図３に示されるように、本実施例のＨ_２生成装置６は、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５から供給されるＭｇＯ、ＣおよびＣＯが含有される気体Ａ５と水蒸気を用いて水素生成および炭素固定が可能となっている。

【0056】

Ｈ_２生成装置６は、ＭｇＯ、ＣおよびＣＯを水蒸気と反応させる反応室６０と、ＭｇＯ、ＣおよびＣＯを含む気体Ａ５を反応室６０に供給するフィーダ６１（図３参照）と、反応室６０内に１００℃程度の高温の水蒸気を噴射する水蒸気噴射器６２（図３参照）と、反応室６０の下流側に配設されＣＯ_２とＨ_２を分離可能なセパレータ１０と、セパレータ１０によりＣＯ_２が分離されたＨ_２を含む気体Ａ６を回収するＨ_２回収装置７と、を備えている。尚、以降の説明において、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５側を上流側、Ｈ_２回収装置７側を下流側として説明する。

【0057】

次に、Ｈ_２生成装置６の動作について説明する。Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５を構成するガスタービン発電装置４１のタービン４２を回転させる気体Ａ４には、反応室３０における反応により生成され主にＭｇＯとＣからなるＭｇＯ粒子とＣ粒子が含まれており、タービン４２の動翼やタービン４２を被覆するケーシング４４に形成される図示しない静翼に衝突したＭｇＯ粒子とＣ粒子は、さらに細かい微粒子状に粉砕された状態で気体Ａ５と共にケーシング４４と一体に設けられる流路４５内に誘導され、１０００℃以上の高温状態でＨ_２生成装置６の反応室６０に供給される。尚、反応室３０における反応により生成されたＭｇＯ粒子とＣ粒子を複数回採取して光学顕微鏡および電子顕微鏡を用いた画像解析法によりＭｇＯ粒子とＣ粒子の粒子径を測定したところ、気体Ａ５に含まれＨ_２生成装置６の反応室６０に供給されるＭｇＯ粒子の粒子径は４μｍ～１１０μｍの範囲、Ｃ粒子の粒子径は１０μｍ～３５０μｍの範囲であった。また、粒度分布（個数基準分布）の算術平均による平均粒子径は、ＭｇＯ粒子が５０μｍ～６０μｍ、Ｃ粒子が８０μｍ～１１０μｍであった。また、ＭｇＯ粒子の形状は、アスペクト比が小さい粒状であり、Ｃ粒子の形状は、ＭｇＯ粒子と比べてアスペクト比が大きい鱗片状であった。Ｃ粒子の形状は、詳細には平面状に結合された炭素原子の薄層が積層構造を成しており、積層方向の寸法が最も小さい鱗片状であった。

【0058】

尚、ＭｇＯ粒子の平均粒子径は、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５の反応室３０に投入されるＭｇ粉末の平均粒子径に依存しており、予めＭｇ粉末の平均粒子径を反応室３０において生成されるＣ粒子の平均粒子径に近づけておく、例えばＭｇ粉末の平均粒子径を８０～１１０μｍとすることにより、後述するＨ_２生成装置６の反応室６０における反応性を高めるようにしてもよい。また、Ｃ粒子の形状および平均粒子径は、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５の反応室３０におけるＣＯ_２濃度や反応熱の温度だけでなく、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５を構成する反応室３０、タービン４２、ケーシング４４等の形状や寸法によっても変化することから、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５の稼働が安定した段階で反応室３０において生成されたＣ粒子を採取し、Ｃ粒子の平均粒子径を測定することにより、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５の反応室３０に投入されるＭｇ粉末の平均粒子径を決定してもよい。

【0059】

また、Ｈ_２生成装置６においては、反応室６０で起こる反応による内部圧力の変化を測定しフィードバック制御を行うことにより、フィーダ６１によるＭｇＯ、ＣおよびＣＯの供給量と水蒸気噴射器６２による水蒸気の噴射量が調整される。これにより、Ｈ_２生成装置６の反応室６０において、安定してＨ_２生成を行うことができる。尚、反応室６０の内部圧力に加えて内部温度やＣＯ濃度、特に温度を制御パラメータに加えると一層よい。

【0060】

反応室６０の入り口においては、先ず１０００℃以上の高温状態のＣと水蒸気の水性ガス反応によりＨ_２とＣＯが生成される。また、反応室６０の入り口では、ＣＯ_２濃度が低いため、ＭｇＯが水蒸気と反応してＭｇ（ＯＨ）_２となる。尚、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５で生成されたＭｇＯは２０００℃～３０００℃の高温で焼成されることにより、塩基点が減少しており、ＣＯ_２吸収能が低下しているが、反応室６０に供給された直後に水蒸気との反応によりＭｇ（ＯＨ）_２となることで、ＣＯ_２吸収能を高めることができる。

【0061】

次に、気体Ａ５に含まれるＣＯおよび水性ガス反応による生成物であるＣＯと水蒸気との水性ガスシフト反応によりＨ_２とＣＯ_２が生成される。水性ガスシフト反応により生成されたＣＯ_２は、Ｍｇ（ＯＨ）_２に吸収されＭｇＣＯ_３として炭素固定される。さらに、気体Ａ５に含まれるＣＯによって反応室６０内のＣＯ濃度が高められるため、水性ガスシフト反応が促進され、Ｈ_２の生成が効率よく行われる。

【0062】

この反応により、反応室６０内のＣＯ_２濃度が所定値以下に維持される。また、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５で生成された１０００℃以上の高温状態のＭｇＯとＣが供給されてくることで、反応室６０内のＣＯが略全てＨ_２とＣＯ_２になることが観察された。これは、Ｍｇ（ＯＨ）_２によるＣＯ_２吸収によって、水性ガス反応および水性ガスシフト反応が平衡状態となることを防止し反応を生成系、すなわちＨ_２の生成方向に偏らせたことによるものと推測される。

【0063】

また、Ｍｇ（ＯＨ）_２は、化学量論的にＣＯ_２を吸収するため、所定量のＣＯ_２を吸収すると吸収能が低下するが、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５が稼働している間、生成されたＭｇＯとＣが反応室６０内に供給され続けるため、水蒸気の供給が滞ることなく行われれば、Ｍｇ（ＯＨ）_２によるＣＯ_２の吸収が常時行われ、Ｈ_２生成装置６内におけるＣＯ_２濃度の上昇が抑制され、安定してＨ_２生成が行われる。

【0064】

また、Ｈ_２生成装置６にセパレータ１０を介してＨ_２回収装置７が接続されることにより、気体Ａ６に含まれる高純度のＨ_２の回収が常時行われ、Ｈ_２生成装置６内におけるＨ_２濃度が所定値以下に維持される。これにより、Ｈ_２の生成がさらに効率よく行われる。尚、セパレータ１０は、Ｈ_２生成装置６で生成されたＣＯ_２とＨ_２を分離可能である。セパレータ１０としては、例えばＨ_２分離膜やＣＯ_２吸着材が用いられる。

【0065】

以上説明したように、本実施例の炭素固定・水素生成システム１は、Ｈ_２生成装置６の反応室６０において、Ｃと水蒸気の水性ガス反応によりＨ_２とＣＯを生成し、さらに水性ガス反応に付随して起こるＣＯと水蒸気との水性ガスシフト反応により生成されるＣＯ_２は、ＭｇＯと水蒸気の水和反応により生成されるＭｇ（ＯＨ）_２に吸収されＭｇＣＯ_３として炭素固定されるため、ＣＯ_２の排出を抑制しつつ、水性ガス反応および水性ガスシフト反応が平衡状態となることを防止し反応を生成系に偏らせることにより高効率でＨ_２を生成することができる。

【0066】

また、本実施例の炭素固定・水素生成システム１は、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５において、ＣＯ_２中でＭｇを燃焼させることにより生成される不純物の少ないＣとＭｇＯを、Ｈ_２生成装置６におけるＨ_２の生成反応に利用することができるため、塩化水素（ＨＣｌ）等の有害ガスが生成されない。また、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５におけるＣＯ_２中でのＭｇの燃焼反応により得られる１０００℃以上（２０００℃～３０００℃）の反応熱をＨ_２生成装置６における水性ガス反応に有効利用することができる。

【0067】

また、本実施例の炭素固定・水素生成システム１は、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５において、ＣＯ_２がＭｇと完全に反応しない場合に生じるＣＯをＨ_２生成装置６の反応室６０における水性ガスシフト反応に利用してＨ_２を生成することができるため、Ｈ_２の生成効率を高めることができる。尚、水性ガスシフト反応により生成されるＣＯ_２は、Ｍｇ（ＯＨ）_２に吸収され、水性ガスシフト反応を生成系に偏らせることができるため、水性ガス反応が反応系に偏ることが防止されている。

【0068】

また、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５において、ＣＯ_２中でＭｇを燃焼させることにより１０００℃以上の高温状態となったＣをＨ_２生成装置６における反応室６０にそのまま供給することができ、高温状態で反応性の高いＣを水蒸気と即座に反応させることができるため、Ｈ_２生成装置６内で水性ガス反応のためにＣを９００℃以上に再加熱する必要がなく、水蒸気と即座に反応させることができるため、Ｈ_２の生成効率を高めることができる。

【0069】

また、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５において生成されるＭｇＯとＣは、粉末状であり、ＭｇＯとＣを混合させた状態で流路４５からＨ_２生成装置６における反応室６０に供給することにより、粉末状のＣの中心まで温度が高温となっておりＣはガス化しやすく、流路４５からＨ_２生成装置６における反応室６０に供給されて即座に水蒸気と水性ガスシフト反応させることができるとともに、ＭｇＯと水蒸気の水和反応も促進することができる。

【0070】

また、流路４５は、ガスタービン発電装置４１のタービン４２を被覆するケーシング４４に設けられることにより、タービン４２の回転を利用してケーシング４４内に捕集された高温状態のＭｇＯやＣを気体Ａ５と共に流路４５からＨ_２生成装置６における反応室６０に直接供給することができるため、Ｃの温度低下を抑制することができる。

【0071】

また、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５において約２０００℃～約３０００℃で焼成されることにより生成されるＣは、黒鉛化されていることにより、Ｈ_２生成装置６における水蒸気との反応性が高まり、水素の生成効率を高めることができる。具体的には、黒鉛化されているＣは、平面状に結合された薄層の積層構造を有し、この薄層の層間に水分子が入り込むことにより、反応性が高まると考えられる。また、黒鉛化されているＣは、薄層の層間が弱いファンデルワールス力で結合されているため、薄層が剥離しやすく、剥離されることで表面積が大きくなり、水蒸気と反応しやすくなっていると考えられる。

【0072】

また、Ｈ_２生成装置６における反応室６０では、ＭｇＯと水蒸気の水和反応により生成されるＭｇ（ＯＨ）_２によりＣＯ_２の吸収を行うため、ＣＯ_２吸収材として知られるＣａＯ等と比べて比較的低温（３００℃～５００℃程度）で反応させることができる。

【0073】

また、Ｈ_２生成装置６において生成されたＭｇＣＯ_３を低温焼成装置８において熱分解させてＭｇＯを生成し、これを還元装置４におけるＭｇの生成や、Ｈ_２生成装置６におけるＨ_２の生成に再利用することにより循環させるマグネシウムルーピングにより、本発明の炭素固定・水素生成システム１から排出される廃棄物を少なくすることができる。尚、図１に示されるように、低温焼成装置８においてＭｇＣＯ_３の熱分解によりＭｇＯと共に生成されたＣＯ_２（反応式９参照）は、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５に供給されることにより、Ｍｇの生成（反応式３，４参照）に利用することができる。

【0074】

さらに、本発明に係る炭素固定・水素生成システム１は、システム上流のＭｇ／ＣＯ_２発電装置５におけるＭｇの燃焼反応によりＣＯ_２を炭素固定し、これにより生成されたＭｇＯとＣをシステム下流のＨ_２生成装置６におけるＨ_２生成の材料として利用し、ＣＯ_２の排出を抑制しつつ、高効率でクリーンなＨ_２を生成することができるものである。

【0075】

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

【0076】

例えば、前記実施例では、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５において生成されるＭｇＯとＣをＨ_２生成装置６における反応室６０に供給することにより、Ｈ_２の生成を行う態様について説明したが、これに限らず、Ｈ_２生成装置６で水蒸気と反応させるＭｇＯとＣは、別途供給されるものであってもよい。

【0077】

また、前記実施例では、Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置５において、ＣＯ_２中でＭｇを燃焼させることにより１０００℃以上の高温状態となったＣをＨ_２生成装置６にそのまま供給する態様について説明したが、これに限らず、Ｈ_２生成装置６に供給されるまでにＣの温度が低下した場合には、水性ガス反応に必要な９００℃以上に再加熱してもよい。

【0078】

また、前記実施例では、ガスタービン発電装置４１のタービン４２を被覆するケーシング４４にＨ_２生成装置６へＭｇＯとＣを供給する流路４５が設けられる態様について説明したが、これに限らず、例えば、タービン４２よりも下流の第４連通路５０にＨ_２生成装置６へ繋がる分岐路を設け、整流板等によりＭｇＯとＣを分離して分岐路を経由してＨ_２生成装置６へ供給するようにしてもよい。

【0079】

また、Ｈ_２生成装置６において生成された炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）は、別途回収してコンクリートの骨材等として使用してもよい。

【符号の説明】

【0080】

１ 炭素固定・水素生成システム
２ 電解装置
３ 低温焼成装置
４ 還元装置
５ Ｍｇ／ＣＯ_２発電装置（燃焼装置）
６ Ｈ_２生成装置（水素生成装置）
７ Ｈ_２回収装置
８ 低温焼成装置
１０ セパレータ
３０ 反応室
４０ 発電手段
４１ ガスタービン発電装置
４２ タービン
４４ ケーシング
４５ 流路
６０ 反応室
６１ フィーダ
６２ 水蒸気噴射器

【図1】

【図2】

【図3】