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(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】P2024126529
(43)【公開日】2024-09-20
(54)【発明の名称】二酸化炭素変換装置及び二酸化炭素変換方法
(51)【国際特許分類】
C25B 1/23 20210101AFI20240912BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20240912BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240912BHJP
B01D 53/32 20060101ALI20240912BHJP
C25B 15/00 20060101ALI20240912BHJP
【ＦＩ】
C25B1/23
C25B15/08 304
C25B9/00 Z
B01D53/32
C25B15/00 302Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023034938
(22)【出願日】2023-03-07
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、環境省、二酸化炭素の資源化を通じた炭素循環社会モデル構築促進事業委託業務「人工光合成技術を用いた電解による地域のＣＯ２資源化検討事業」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001092
【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小川 斗
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AB25
4K021BA02
4K021BC02
4K021BC03
4K021CA15
4K021DB36
4K021DB40
(57)【要約】
【課題】二酸化炭素の有効活用を促進して、二酸化炭素の大気中への放出を低減することを可能にした二酸化炭素変換装置を提供する。
【解決手段】実施形態の二酸化炭素変換装置１は、供給された二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成するカソード室８と、被酸化物を酸化して酸素及び二酸化炭素を生成するアノード室９とを備える二酸化炭素電解部３と、アノード室９で生成される酸素－二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収部５と、カソード室９で生成される一酸化炭素含有ガスから一酸化炭素を精製する一酸化炭素精製部７と、一酸化炭素精製部４から排出される残余の一酸化炭素を含む還元性ガスと二酸化炭素回収部５で分離回収され、残余の酸素を含む二酸化炭素含有ガスとを反応させる酸化部６とを具備する。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態の二酸化炭素変換装置１は、供給された二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成するカソード室８と、被酸化物を酸化して酸素及び二酸化炭素を生成するアノード室９とを備える二酸化炭素電解部３と、アノード室９で生成される酸素－二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収部５と、カソード室９で生成される一酸化炭素含有ガスから一酸化炭素を精製する一酸化炭素精製部７と、一酸化炭素精製部４から排出される残余の一酸化炭素を含む還元性ガスと二酸化炭素回収部５で分離回収され、残余の酸素を含む二酸化炭素含有ガスとを反応させる酸化部６とを具備する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収して供給する二酸化炭素供給部と、
前記二酸化炭素供給部から二酸化炭素が供給され、前記二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成するカソード室と、被酸化物を酸化して酸素及び二酸化炭素を生成するアノード室とを備える二酸化炭素電解部と、
前記二酸化炭素電解部の前記アノード室で生成される酸素－二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収部と、
前記二酸化炭素電解部の前記カソード室で生成される一酸化炭素含有ガスから一酸化炭素を精製する一酸化炭素精製部と、
前記一酸化炭素精製部から排出される残余の一酸化炭素を含む還元性ガスと、前記二酸化炭素回収部で分離回収され、残余の酸素を含む二酸化炭素含有ガスとを反応させる酸化部と
を具備する二酸化炭素変換装置。
前記二酸化炭素供給部から二酸化炭素が供給され、前記二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成するカソード室と、被酸化物を酸化して酸素及び二酸化炭素を生成するアノード室とを備える二酸化炭素電解部と、
前記二酸化炭素電解部の前記アノード室で生成される酸素－二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収部と、
前記二酸化炭素電解部の前記カソード室で生成される一酸化炭素含有ガスから一酸化炭素を精製する一酸化炭素精製部と、
前記一酸化炭素精製部から排出される残余の一酸化炭素を含む還元性ガスと、前記二酸化炭素回収部で分離回収され、残余の酸素を含む二酸化炭素含有ガスとを反応させる酸化部と
を具備する二酸化炭素変換装置。
【請求項2】
前記酸化部は、前記反応により前記二酸化炭素含有ガス中の前記残余の酸素を除去する、請求項１に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項3】
前記酸化部は、前記還元性ガスに含まれる前記残余の一酸化炭素を前記二酸化炭素含有ガス中の前記残余の酸素とを反応させて二酸化炭素を生成する、請求項１に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項4】
前記酸化部は、前記残余の酸素が除去された二酸化炭素含有ガスを前記二酸化炭素電解部の前記カソード室に供給するように構成されている、請求項２に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項5】
二酸化炭素電解部のカソード室で二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成すると共に、前記二酸化炭素電解部のアノード室で被酸化物を酸化して酸素及び二酸化炭素を生成する工程と、
前記二酸化炭素電解部の前記アノード室で生成される酸素－二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収する工程と、
前記二酸化炭素電解部の前記カソード室で生成される一酸化炭素含有ガスから一酸化炭素を精製する工程と、
前記一酸化炭素を精製した後の残余の一酸化炭素を含む還元性ガスと、二酸化炭素を分離回収した残余の酸素を含む二酸化炭素含有ガスとを反応させる工程と
を具備する二酸化炭素変換方法。
前記二酸化炭素電解部の前記アノード室で生成される酸素－二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収する工程と、
前記二酸化炭素電解部の前記カソード室で生成される一酸化炭素含有ガスから一酸化炭素を精製する工程と、
前記一酸化炭素を精製した後の残余の一酸化炭素を含む還元性ガスと、二酸化炭素を分離回収した残余の酸素を含む二酸化炭素含有ガスとを反応させる工程と
を具備する二酸化炭素変換方法。
【請求項6】
前記還元性ガスと前記二酸化炭素含有ガスとの反応により、前記二酸化炭素含有ガス中の前記残余の酸素を除去する、請求項５に記載の二酸化炭素変換方法。
【請求項7】
前記還元性ガスと前記二酸化炭素含有ガスとの反応により、前記還元性ガス中の前記残余の一酸化炭素を前記二酸化炭素含有ガス中の前記残余の酸素と反応させて二酸化炭素を生成する、請求項５に記載の二酸化炭素変換装方法。
【請求項8】
前記残余の酸素が除去された二酸化炭素含有ガスを前記二酸化炭素電解部の前記カソード室に供給する、請求項６に記載の二酸化炭素変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、二酸化炭素変換装置及び二酸化炭素変換方法に関する。
【背景技術】
【0002】
天然ガス、石炭、石油等の化石燃料を燃焼させることで発生する二酸化炭素（ＣＯ２）は、温室効果による地球温暖化の主因と考えられており、化石燃料の使用削減が求められている。ＣＯ２発生源から排出される排ガスからＣＯ２を除去し、大気中への放出を抑制することに加えて、排ガスから除去したＣＯ２を原料とする化学合成が行われている。その一環として、ＣＯ２を還元して一酸化炭素（ＣＯ）を生成し、生成したＣＯと水素（Ｈ２）とから有機物を合成する技術の開発が進められている。
【0003】
ＣＯ２電解装置の生成ガスのうち、カソード室の生成ガスは、ＣＯ２の還元生成物であるＣＯ、ＣＯ２と同時にＨ２Ｏが共電解されることにより生成される水素（Ｈ２）、未反応のＣＯ２等を含んでいる。アノード室の生成ガスは、ＣＯ２の還元生成物の一部である炭酸イオン（ＣＯ３
２－）や水酸化物イオン（ＯＨ－）の酸化により生成される酸素（Ｏ２）と、副生成物としてのＣＯ２を含んでいる。このように、ＣＯ２電解の生成物はＣＯ、Ｈ２、Ｏ２等の主生成物に加えて、未反応のＣＯ２や副生成物としてのＣＯ２を含んでいる。このようなＣＯ２電解装置の生成ガスからＣＯ、Ｈ２等の有効成分を精製して回収した後のパージガスをそのまま放出すると、ＣＯ２の大気中への放出を低減することができないと共に、ＣＯ２の有効活用性が低下する。そこで、ＣＯ２の大気中への放出を低減すると共に、ＣＯ２の有効活用性を高めることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０１４／１５４２５３号
【特許文献2】特開２０２１－０５５１２４号公報
【特許文献3】特開２０１９－２１８５７８号公報
【特許文献4】特開２０１６－１２４７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、ＣＯ２の有効活用を促進して、ＣＯ２の大気中への放出を低減することを可能にした二酸化炭素変換装置及び二酸化炭素変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
実施形態の二酸化炭素変換装置は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収して供給する二酸化炭素供給部と、前記二酸化炭素供給部から二酸化炭素が供給され、前記二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成するカソード室と、被酸化物を酸化して酸素及び二酸化炭素を生成するアノード室とを備える二酸化炭素電解部と、前記二酸化炭素電解部の前記アノード室で生成される酸素－二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収部と、前記二酸化炭素電解部の前記カソード室で生成される一酸化炭素含有ガスから一酸化炭素を精製する一酸化炭素精製部と、前記一酸化炭素精製部から排出される残余の一酸化炭素を含む還元性ガスと、前記二酸化炭素回収部で分離回収され、残余の酸素を含む二酸化炭素含有ガスとを反応させる酸化部とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、実施形態の二酸化炭素変換装置について、図面を参照して説明する。以下に示す各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。なお、以下の説明における“～”の記号は、それぞれの数値の上限値と下限値の間の範囲を示すものである。その場合、各数値範囲は上限値及び下限値を含むものである。
【0009】
図１は実施形態の二酸化炭素変換装置を示す図である。図１に示す二酸化炭素変換装置１は、二酸化炭素（ＣＯ２）含有ガスからＣＯ２を回収して供給するＣＯ２供給部２と、ＣＯ２を電解及び還元して一酸化炭素（ＣＯ）に変換するＣＯ２電解部３と、ＣＯ２電解部３のカソード室で生成されるガスから一酸化炭素（ＣＯ）を精製するＣＯ精製部４と、ＣＯ２電解部３のアノード室で生成されるガスから二酸化炭素（ＣＯ２）を分離回収するＣＯ２回収部５と、ＣＯ精製部４から排出される残余のＣＯを含む還元性ガスとＣＯ２回収部５で分離回収され、残余の酸素を含むＣＯ２含有ガスとを反応させ、ＣＯをＣＯ２に変換すると共に、残余の酸素（Ｏ２）を除去する酸化部６とを具備する。
【0010】
ＣＯ２供給部２は、火力発電所、廃棄物焼却場、製鉄所等から排出されるＣＯ２を含む排出ガス（ＣＯ２含有ガス）Ｇ１からＣＯ２を分離回収し、ＣＯ２濃度を高めたＣＯ２ガスＧ２をＣＯ２電解部３に供給するように構成されている。ＣＯ２供給部２には、例えばアミン水溶液のような化学吸収液を用いる化学吸収法、メタノール、ポリエチレングリコール溶液のような物理吸収液を用いる物理吸収法、アミン化合物のような固体吸収剤を用いた固体吸収法、ＣＯ２分離膜を用いた膜分離法、ゼオライト等の無機物を吸着材として用いる物理吸着法、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ法（圧力変動吸着法））、ＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ法（温度変動吸着法）等が適用される。例えば、アミン水溶液を用いた化学吸収法及び装置では、アミン水溶液が噴霧される吸収塔に排出ガスＧ１を供給し、ＣＯ２を吸収したアミン水溶液を再生塔で加熱してアミン水溶液から放散されるＣＯ２を回収する。
【0011】
ＣＯ２供給部２に適用するＣＯ２の回収方法及び装置は、特に限定されるものではなく、排出ガス（ＣＯ２含有ガス）Ｇ１からＣＯ２を回収することが可能な各種の方法及び装置を適用することができる。ＣＯ２供給部２は、ガス混合器７を介してＣＯ２電解部３のカソード室（還元部）８に接続されている。ＣＯ２供給部２は、ガス混合器７を介してカソード室８にＣＯ２ガスＧ２を供給するように構成されている。
【0012】
ＣＯ２電解部３は電解セルを有するＣＯ２電解装置であり、カソード室（還元部）８とアノード室（酸化部）９とを備えている。カソード室８は還元電極（カソード）を備え、アノード室９は酸化電極（アノード）を備えており、少なくともアノード室９には電解液が流通される。カソード室８には、ＣＯ２ガスが流通される。アノード室９において、電解液には水（Ｈ２Ｏ）を用いた溶液、例えば任意の電解質を含む水溶液が用いられる。電解質を含む水溶液としては、リン酸イオン（ＰＯ４
２－）、ホウ酸イオン（ＢＯ３
３－）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、セシウムイオン（Ｃｓ＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）、炭酸イオン（ＣＯ３
２－）、水酸化物イオン（ＯＨ－）等を含む水溶液が挙げられる。電解液の具体例としては、ＫＯＨ、ＫＨＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３等が溶解されたアルカリ水溶液が挙げられる。
【0013】
カソード室８には、ＣＯ２供給部２で回収されたＣＯ２ガスＧ２が供給される。カソード室８は、図示しない還元電極に面するガス流路を有し、そのようなガス流路にＣＯ２ガスが供給される。アノード室９は、例えば図示しない酸化電極に面する液体流路を有し、そのような液体流路に電解液が供給される。カソード室８とアノード室９とは、水素イオン（Ｈ＋）、水酸化物イオン（ＯＨ－）、炭酸イオン（ＣＯ３
２－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）等のイオンを移動させることが可能な隔膜１０、例えばイオン交換膜により分離されている。ＣＯ２電解部３（電解セルを有するＣＯ２電解装置）は、単一の電解セルやそれらを面方向に接続した構造を有していてもよいし、複数の電解セルが積層されて一体化されたスタック構造を有していてもよい。
【0014】
ＣＯ２電解部３の還元電極及び酸化電極には、図示しない直流電源が接続されている。ＣＯ２電解部３の還元電極及び酸化電極に、電源から直流電流が供給されることによって、カソード室８及びアノード室９では以下に示すような電解反応が生じる。カソード室８では、下記の（１）式に示すように、ＣＯ２の電解反応及び還元反応が生じる。カソード室８では、ＣＯ２の還元反応によりＣＯと炭酸イオン（ＣＯ３
２－）が生成される。
２ＣＯ２＋２ｅ－ → ＣＯ＋ＣＯ３ ２－ …（１）
カソード室８で生成された炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）は、隔膜１０を介してアノード室９に移動する。アノード室９においては、下記の（２）式に示すように、カソード室８で生成され、隔膜１０を介して移動した炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）の酸化反応が生じ、これによりＣＯ２とＯ２とが生成される。
ＣＯ３ ２－ → ＣＯ２＋０．５Ｏ２＋２ｅ－ …（２）
２ＣＯ２＋２ｅ－ → ＣＯ＋ＣＯ３ ２－ …（１）
カソード室８で生成された炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）は、隔膜１０を介してアノード室９に移動する。アノード室９においては、下記の（２）式に示すように、カソード室８で生成され、隔膜１０を介して移動した炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）の酸化反応が生じ、これによりＣＯ２とＯ２とが生成される。
ＣＯ３ ２－ → ＣＯ２＋０．５Ｏ２＋２ｅ－ …（２）
【0015】
さらに、カソード室８においては、電解液中のＨ２Ｏの電解反応が生じ、下記の（３）式に示すように、水素（Ｈ２）と水酸化物イオン（ＯＨ－）とが生成される。
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ → Ｈ２＋２ＯＨ－ …（３）
カソード室８で生成された水酸化物イオン（ＯＨ－）は、隔膜１０を介してアノード室９に移動する。そして、下記の（４）式に示すように、アノード室９で水（Ｈ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）が生成される。
２ＯＨ－ → ０．５Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …（４）
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ → Ｈ２＋２ＯＨ－ …（３）
カソード室８で生成された水酸化物イオン（ＯＨ－）は、隔膜１０を介してアノード室９に移動する。そして、下記の（４）式に示すように、アノード室９で水（Ｈ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）が生成される。
２ＯＨ－ → ０．５Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …（４）
【0016】
また、アノード室９においては、下記の（５）式に示すように、電解液中の水（Ｈ２Ｏ）が電気分解され、酸素（Ｏ２）と水素イオン（Ｈ＋）とが生成される。
２Ｈ２Ｏ → ４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ－ …（５）
生成された水素イオン（Ｈ＋）は、隔膜１０を介してカソード室８に移動する。カソード室８に水素イオン（Ｈ＋）が到達し、外部回路を通って電子（ｅ－）が到達したカソード室８においては、下記の（６）式に示す反応により水素が発生する。
４Ｈ＋＋４ｅ－ → ２Ｈ２ …（６）
２Ｈ２Ｏ → ４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ－ …（５）
生成された水素イオン（Ｈ＋）は、隔膜１０を介してカソード室８に移動する。カソード室８に水素イオン（Ｈ＋）が到達し、外部回路を通って電子（ｅ－）が到達したカソード室８においては、下記の（６）式に示す反応により水素が発生する。
４Ｈ＋＋４ｅ－ → ２Ｈ２ …（６）
【0017】
カソード室８においては、（１）式に示すＣＯ２の還元反応によりＣＯが生成されると共に、（３）式に示すＨ２Ｏの電解反応及び（６）式に示す反応によりＨ２が生成される。カソード室８で生成されたＣＯ及びＨ２は、未反応のＣＯ２や飽和水蒸気と共にカソード室８から排出される。カソード室８から排出される、ＣＯとＨ２とＣＯ２と飽和水蒸気（Ｈ２Ｏ）を含む混合ガスＧ３は、冷却器１１で冷却された後に、第１気液分離器１２に送られる。第１気液分離器１２で凝縮水（Ｈ２Ｏ）が除去され、ＣＯとＨ２とＣＯ２とを含む混合ガスＧ４は、ＣＯ精製部４に送られる。
【0018】
ＣＯ精製部４においては、混合ガスＧ４からＣＯが精製される。ＣＯ精製部４には、例えば銅イオン・ゼオライト吸着剤、銅イオン活性炭吸着剤、塩化銅・アルミニウム・架橋ポリスチレン固体吸着剤、塩化銅・アルミニウム・活性炭吸着剤等を用いたＣＯ－ＰＳＡ（圧力変動吸着法）、銅アンモニア洗浄法、塩化銅アルミニウム錯体溶液吸収法、塩化銅・アルミニウム・ポリスチレン高分子錯体溶液吸収法、深冷法等が適用される。精製されたＣＯは、例えば図示しないタンク等の貯蔵容器に収容されるか、あるいは例えばＣＯとＨ２とを反応させるメタン合成反応器、アルコール合成器、フィッシャー・トロプシュ反応器等の有機物合成反応器に送られる。これら有機物合成反応器は、ＣＯ－ＰＳＡ等を適用したＣＯ精製部４に代えて使用してもよい。ＣＯ精製部４からは、ＣＯを精製した後の精製残ガスＧ５が排出される。精製残ガスＧ５は、残存するＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２等を含んでいる。ＣＯ精製部４から排出される精製残ガスＧ５は、酸化部６に送られる。
【0019】
一方、ＣＯ２電解部３のアノード室９では、上記した（２）式及び（４）式に示すように、炭酸イオン（ＣＯ３
２－）及び水酸化物イオン（ＯＨ－）の酸化により、酸素（Ｏ２）が生成されると共に、二酸化炭素（ＣＯ２）が再生成される。アノード室９で生成されたＯ２及びＣＯ２を含有するガス（Ｏ２－ＣＯ２含有ガス）は、電解液と共にアノード室９から排出される。Ｏ２－ＣＯ２含有ガスを含む電解液は、第２気液分離器１３に送られる。第２気液分離器１３において、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスは電解液から分離される。第２気液分離器１３で分離されたＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ６は、冷却器１４で所定の温度まで冷却された後に第３気液分離器１５に送られる。第２気液分離器１３で分離された電解液は、冷却器１６で所定の温度まで冷却された後に緩衝タンク１７に送られる。緩衝タンク１７には、第３気液分離器１５で分離された凝縮水（Ｈ２Ｏ）も送られる。緩衝タンク１７に送られた電解液は、必要に応じて補給水タンク１８から水が供給された後に、ポンプ１９を介してＣＯ２電解部３のアノード室９に再送される。
【0020】
第２及び第３気液分離部器１３、１５で分離されたＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ６は、Ｈ２Ｏ除去部２０で残存するＨ２Ｏが除去された後、ＣＯ２回収部５に送られる。Ｈ２Ｏ除去部２０には、水蒸気除去用高分子膜や、ゼオライト、シリカゲル、メソポーラスシリカ、活性炭等の水蒸気吸着材が用いられる。ＣＯ２回収部５においては、例えばＣＯ２吸着剤として、１級又は２級アミン担持体、ＦＡＵ型ゼオライト、ＧＩＳ型ゼオライト、有機配位子として１，４－ベンゼンジカルボヒドロキサム酸を用いると共に、補助配位子としてイソニコチン酸を用い、硝酸コバルトと反応させて得られるＣｏ－ＭＯＦ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ：金属有機構造体）、ＺＩＦ－６９（ＣＡＳ Ｎｏ．１０１８４７７－１０－５、化学式：Ｃ１０Ｈ６Ｎ５Ｏ２ＣｌＺｎ）、Ｃｕｂｉｃ［Ｚｎ４Ｏ（ｐｉｐｅｒａｚｉｎｅ ｄｉｃａｒｂａｍａｔｅ）３］等を用いて、吸着剤に応じた圧力変動吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＰＳＡ）法や、温度変動吸着（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＴＳＡ）法でＣＯ２を分離回収する。
【0021】
ＣＯ２回収部５においては、酸素吸着剤として、テトラシアノキノジメタン（ＣＡＳ Ｎｏ．１５１８－１６－７、化学式：（ＮＣ）２ＣＣ６Ｈ４Ｃ（ＣＮ）２）細孔体のような有機半導体を用い、圧力変動吸着（ＰＳＡ）法や、温度変動吸着（ＴＳＡ）法でＯ２を分離回収し、その結果としてＣＯ２を回収してもよい。ＣＯ２回収部５には、ポリ－１，４－アントラキノン（Ｐｏｌｙ－１，４－ａｎｔｈｒａｑｕｉｎｏｎｅ）をＣＯ２吸着極とし、ポリビニルフェロセン（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｆｅｒｒｏｃｅｎｅ）を対極とした、ファラデーエレクトロスウィング反応性吸着（Ｆａｒａｄａｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｓｗｉｎｇ ｒｅａｃｔｉｖｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法を適用してもよい。
【0022】
ＣＯ２回収部５で分離回収されたＣＯ２を含むガスＧ７は、残存するＯ２を含んでいる。ＣＯ２及び残存するＯ２を含むガスＧ７は、酸化部６に送られる。酸化部６において、ＣＯ精製部４から排出され、残余のＣＯや未反応のＣＯ２を含む精製残ガス（還元性ガス）Ｇ５と、ＣＯ２回収部５で分離回収され、ＣＯ２及び残余のＯ２を含むガスＧ７とを反応させる。ガスＧ５中の残余のＣＯは、ガスＧ７中のＯ２により酸化され、ＣＯ２に変換される。それと同時に、ＣＯ２回収部５で分離回収されたガスＧ７中のＯ２を除去する。これによって、酸化部６からＣＯ２電解部３のカソード室８に返送するＣＯ２ガスＧ８中のＯ２量を低減、さらにはより一層削減することができる。
【0023】
すなわち、ＣＯ２電解部３のカソード室８に供給するＣＯ２ガスがＯ２を含んでいると、カソード室８に配置される還元電極（カソード）を構成する炭素材料がＯ２により劣化したり、還元電極（カソード）に還元触媒として含まれる金、銀、銅粒子等の金属粒子がＯ２により凝集したりする等によって、還元電極の性能が低下してしまう。このため、ＣＯ２回収部５で分離回収されたＣＯ２を含むガスＧ７が残余のＯ２を含んでいると、カソード室８に再送することができない。これに対して、酸化部６で残余のＣＯや未反応のＣＯ２を含む精製残ガス（還元性ガス）Ｇ５とＣＯ２回収部５で分離回収されたＣＯ２及び残余のＯ２を含むガスＧ７とを反応させて、ＣＯ２回収部５で分離回収されたガスＧ７中のＯ２を除去することによって、ＣＯ２を含むガスＧ７と未反応のＣＯ２とＣＯの酸化により新たに生成したＣＯ２とを含むガスＧ５との混合ガスＧ８を、カソード室８に悪影響を及ぼすことなく、ＣＯ２電解部３のカソード室８に再供給することができる。
【0024】
ＣＯ２ガスＧ８は、冷却器２１で冷却された後に、第４気液分離器２２に送られる。第４気液分離器２２で飽和水蒸気や凝縮水（Ｈ２Ｏ）が除去された後に、ＣＯ２ガスＧ８はガス混合器７に送られる。ＣＯ２ガスＧ８は、ガス混合器７でＣＯ２供給部２から供給されたＣＯ２ガスＧ２と混合された後、ＣＯ２電解部３のカソード室８に供給される。酸化部６においては、水素－酸素再結合触媒やＮｉ－Ｃｅ２Ｏ３－Ｐｔ等の燃焼触媒を適用し、酸素の除去性を高めるようにしてもよい。ＣＯ２回収部５から供給されるＣＯ２含有ガスＧ７中の残余のＯ２濃度やＣＯ精製部４から排出される精製残ガスＧ５中の残余のＣＯ濃度によっては、図２に示すように、Ｈ２供給源２３を設けてもよい。さらに、酸化部６から第４気液分離器２２にＣＯ２ガスＧ８を送る配管に、Ｏ２濃度計２４やＯ２吸着部２５を設けてもよい。これらによって、ＣＯ２ガスＧ８中のＯ２濃度をより一層安定的に削減することが可能になる。
【0025】
ＣＯ２ガスＧ２の水蒸気量を制御し、電解液からの放散水蒸気量を低減するため、ガス混合器７においてＣＯ２ガスを適度に加湿したり、又はＣＯ２ガスＧ８からの水蒸気除去量を冷却器２１の出口温度により制御してもよい。冷却器２４の負荷低減及び／又は酸化部６の加熱量低減のために、ガスＧ８をガスＧ５、Ｇ７と熱交換してもよい。
【0026】
上述したように、実施形態のＣＯ２変換装置１によれば、ＣＯ２回収部５で分離回収されたＣＯ２ガスＧ７中の残余のＯ２を、酸化部６で精製残ガスＧ５中の残余のＣＯと反応させ、ＣＯ２ガスＧ７中の残余のＯ２を除去することができると共に、残余のＣＯをＣＯ２として回収することができる。それに加えて、精製残ガスＧ５中に含まれる未反応のＣＯ２を回収することができる。これらによって、ＣＯ２の有効活用を促進した上で、カソード室８に悪影響を及ぼすＣＯ２ガスＧ８中のＯ２濃度をより一層安定的に削減することが可能になる。すなわち、ＣＯ２電解部３によるＣＯ２の電解性能を維持しつつ、未反応及び再生成されたＣＯ２を有効に活用することができる。
【0027】
なお、上記した実施形態及び図１及び図２には記載されていないが、ブロワ、ポンプ、コンプレッサ等が適宜配置されていてもよく、それらによりガスや液体等の流体の流れを補助するようにしてもよい。また、ＣＯ２回収部５からの放出ガスの一部は、地中貯留、ＥＯＲ、ＣＯ２固定化（ミネラル化）等、他の用途に提供してもよい。さらに、ＣＯ２回収部５でＣＯ２を分離回収した後のＯ２ガスは、必要に応じて回収される。
【0028】
上述した実施形態の構成は、それぞれ組合せて適用することができ、また一部置き換えることも可能である。ここでは、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図するものではない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0029】
１…ＣＯ２変換装置、２…ＣＯ２供給部、３…ＣＯ２電解部、４…ＣＯ精製部、５…ＣＯ２回収部、６…酸化部、８…第１流量計、８…カソード室、９…アノード室、１０…隔膜、１２，１３，１５，２２…気液分離器。
【図1】
【図2】