(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】P2024135916
(43)【公開日】2024-10-04
(54)【発明の名称】二酸化炭素変換装置
(51)【国際特許分類】
C25B 1/23 20210101AFI20240927BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20240927BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240927BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240927BHJP
C25B 5/00 20060101ALI20240927BHJP
C01B 32/40 20170101ALI20240927BHJP
F02C 3/20 20060101ALI20240927BHJP
F02C 3/34 20060101ALI20240927BHJP
F02C 6/00 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
C25B1/23
C25B15/08 304
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B5/00
C25B9/00 H
C01B32/40
F02C3/20
F02C3/34
F02C6/00 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023046821
(22)【出願日】2023-03-23
【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「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」委託業務、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）】
4G146
4K021
【Ｆターム（参考）】
4G146JA01
4G146JB04
4G146JC01
4G146JD02
4K021AA01
4K021AA09
4K021BA02
4K021BA17
4K021BC01
4K021BC02
4K021BC04
4K021CA08
4K021CA11
4K021DB31
4K021DB36
4K021DB43
4K021DB53
4K021DC01
4K021DC03
4K021DC11
4K021DC15
(57)【要約】
【課題】ＣＯ２の大気中への放出を低減し、ＣＯ２の有効利用率を高めることを可能にしたＣＯ２変換装置を提供する。
【解決手段】実施形態のＣＯ２変換装置１は、ＣＯ２を供給するＣＯ２供給部２と、ＣＯ２供給部２からＣＯ２が供給され、ＣＯ２を還元してＣＯに転換するカソード室３、及び被酸化物を酸化して酸化物を生成するアノード室４とを備えるＣＯ２電解部５と、燃料を供給する燃料供給部６と、アノード室４から排出されるＯ２－ＣＯ２含有ガスが供給されると共に、燃料供給部６から燃料が供給され、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスで燃焼させる酸素燃焼発電部７と、酸素燃焼発電部７から排出される水蒸気－ＣＯ２含有ガスを冷却して凝縮させる凝縮器８と、凝縮器８から排出される水－ＣＯ２二相流体を水とＣＯ２に分離する気液分離器９とを具備する。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態のＣＯ２変換装置１は、ＣＯ２を供給するＣＯ２供給部２と、ＣＯ２供給部２からＣＯ２が供給され、ＣＯ２を還元してＣＯに転換するカソード室３、及び被酸化物を酸化して酸化物を生成するアノード室４とを備えるＣＯ２電解部５と、燃料を供給する燃料供給部６と、アノード室４から排出されるＯ２－ＣＯ２含有ガスが供給されると共に、燃料供給部６から燃料が供給され、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスで燃焼させる酸素燃焼発電部７と、酸素燃焼発電部７から排出される水蒸気－ＣＯ２含有ガスを冷却して凝縮させる凝縮器８と、凝縮器８から排出される水－ＣＯ２二相流体を水とＣＯ２に分離する気液分離器９とを具備する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二酸化炭素を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に転換するカソード室と、被酸化物を酸化して酸化物を生成するアノード室とを備える二酸化炭素電解部と、
燃料を供給する燃料供給部と、
前記二酸化炭素電解部の前記アノード室から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスが供給されると共に、前記燃料供給部から前記燃料が供給され、前記酸素－二酸化炭素含有ガスで燃焼させる酸素燃焼発電部と、
前記酸素燃焼発電部から排出される水蒸気－二酸化炭素含有ガスを冷却して凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器から排出される水－二酸化炭素二相流体を水と二酸化炭素に分離する気液分離器と
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に転換するカソード室と、被酸化物を酸化して酸化物を生成するアノード室とを備える二酸化炭素電解部と、
燃料を供給する燃料供給部と、
前記二酸化炭素電解部の前記アノード室から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスが供給されると共に、前記燃料供給部から前記燃料が供給され、前記酸素－二酸化炭素含有ガスで燃焼させる酸素燃焼発電部と、
前記酸素燃焼発電部から排出される水蒸気－二酸化炭素含有ガスを冷却して凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器から排出される水－二酸化炭素二相流体を水と二酸化炭素に分離する気液分離器と
を具備する二酸化炭素変換装置。
【請求項2】
前記気液分離器は、前記水－二酸化炭素二相流体から分離された二酸化炭素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１に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項3】
前記気液分離器は、分離された水の少なくとも一部を前記二酸化炭素電解部の前記アノード室に電解液の一部として供給するように構成されている、請求項１に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項4】
前記酸素燃焼発電部は、クローズドサイクルガスタービン、タービンコンバインドサイクル発電、グラーツサイクルガスタービン、超臨界ＣＯ２タービン、又は酸素燃料燃焼装置を備える、請求項１に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項5】
燃焼により生成される水及び二酸化炭素、及び前記酸素－二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素の少なくとも１つは、前記酸素燃焼発電部の循環媒体として供給される、請求項４に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項6】
前記気液分離器から排出される水及び二酸化炭素の少なくとも１つは、前記酸素燃焼発電部の循環媒体として供給される、請求項４に記載の二酸化炭素変換装置。
【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、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及び水（Ｈ２Ｏ）を電解して一酸化炭素（ＣＯ）及び酸素（Ｏ２）を生成する二酸化炭素変換装置（電解装置）の開発が進められている。二酸化炭素変換装置においては、生成したＣＯと同僚程度のＣＯ２が酸素生成側に移動し、酸素と共に放出される。その結果、二酸化炭素変換装置に供給されるＣＯ２の有効利用率は５０％以下と低いという課題がある。そこで、ＣＯ２の大気中への放出を低減すると共に、ＣＯ２の有効利用率を高めることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２２－１３８９０５号公報
【特許文献2】特開２０２１－１９１１１８号公報
【特許文献3】特許第７１７６０２２５号
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Ｊ．Ａ．Ｒａｂｉｎｏｗｉｚ ｅｔ ａｌ．, Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， １１， Ａｒｔｉｃｌｅ ｎｕｍｂｅｒ：５２３１（２０２０）
【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の大気中への放出を低減し、ＣＯ２の有効利用率を高めることを可能にした二酸化炭素変換装置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、二酸化炭素を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に転換するカソード室と、被酸化物を酸化して酸化物を生成するアノード室とを備える二酸化炭素電解部と、燃料を供給する燃料供給部と、前記二酸化炭素電解部の前記アノード室から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスが供給されると共に、前記燃料供給部から前記燃料が供給され、前記酸素－二酸化炭素含有ガスで燃焼させる酸素燃焼発電部と、前記酸素燃焼発電部から排出される水蒸気－二酸化炭素含有ガスを冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から排出される水－二酸化炭素二相流体を水と二酸化炭素に分離する気液分離器とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】実施形態の二酸化炭素変換装置を示す図である。
【図2】実施形態の二酸化炭素変換装置において燃料として水素（Ｈ２）を用いた場合の各部の生成ガスとその生成量を示す図である。
【図3】実施形態の二酸化炭素変換装置において燃料としてメタン（ＣＨ４）を用いた場合の各部の生成ガスとその生成量を示す図である。
【図4】実施形態の二酸化炭素変換装置において燃料として炭素（Ｃ）を用いた場合の各部の生成ガスとその生成量を示す図である。
【図5】実施形態の二酸化炭素変換装置において燃料として水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を用いた場合の各部の生成ガスとその生成量を示す図である。
【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（ＣＯ２）変換装置１は、ＣＯ２を供給するＣＯ２供給部２と、ＣＯ２を還元して一酸化炭素（ＣＯ）に変換するカソード室３及び被酸化物を酸化して酸化物を生成するアノード室４を備えるＣＯ２電解部５と、燃料を供給する燃料供給部６と、ＣＯ２電解部２のアノード室４から排出される酸素（Ｏ２）－二酸化炭素（ＣＯ２）含有ガスが供給され、かつ燃料供給部６から燃料が供給され、Ｏ２－ＣＯ２含有を燃焼させる酸素燃焼発電部７と、酸素燃焼発電部７から排出される水蒸気（Ｈ２Ｏ）－二酸化炭素（ＣＯ２）含有ガスを冷却して凝縮させる凝縮器８と、凝縮器８から排出される水（Ｈ２Ｏ）－二酸化炭素（ＣＯ２）二相流体を水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）に分離する気液分離器９とを具備する。
【0010】
ＣＯ２供給部２としては、二酸化炭素（ＣＯ２）含有ガスからＣＯ２を回収して供給する装置やＣＯ２貯蔵部が用いられる。例えば、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５に供給するように構成されている。そのようなＣＯ２供給部２においては、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（圧力変動吸着法））法、ＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ（温度変動吸着法）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。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。
【0011】
ＣＯ２電解部５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）３とアノード室（酸化部）４とを備えている。カソード室３は還元電極（カソード）を備え、アノード室４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４には電解液が流通又は満たされている。カソード室３は、ＣＯ２ガスを流通させるようにしてもよいし、ＣＯ２を含む電解液を流通又は満たすようにしてもよい。カソード室３又はアノード室４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。
【0012】
カソード室３には、ＣＯ２供給部２からＣＯ２ガスＧ２が供給される。カソード室３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４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。還元電極及び酸化電極には図示しない電源が接続されている。カソード室３とアノード室４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５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。
【0013】
ＣＯ２電解部５のカソード室３及びアノード室４においては、以下に示すような反応が生じる。カソード室３においては、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３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３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４に移動する。アノード室４においては、下記の（２）式に示すように、カソード室３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３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４に移動する。アノード室４においては、下記の（２）式に示すように、カソード室３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）
【0014】
さらに、カソード室３においては、ＣＯ２の電解反応（還元反応）と同時に、電解液中のＨ２Ｏの電解反応（還元反応）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３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４に移動する。そして、下記の（４）式に示すように、アノード室４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３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４に移動する。そして、下記の（４）式に示すように、アノード室４で水（Ｈ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）が生成される。
２ＯＨ－ → ０．５Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …（４）
【0015】
また、アノード室４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３に移動する。カソード室３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３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３に移動する。カソード室３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３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）
【0016】
カソード室３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３で生成されたＣＯ及びＨ２は、未反応のＣＯ２と共にカソード室３から排出される。カソード室３から排出される、ＣＯとＨ２とＣＯ２を含む混合ガスＧ３は、例えば有機物の合成反応の原料ガスの一部として、有機物合成部１１に供給される。有機物合成部１１には、有機物の合成反応の原料ガスの一部として、ＣＯ及びＨ２を含む混合ガスＧ３とは別に、水素（Ｈ２）が必要に応じて供給される。
【0017】
有機物合成部１１においては、例えばフィッシャー・トロプシュ合成反応を利用した有機物の合成反応、例えば炭化水素、アルコール、その他の有機物等を合成する反応が行われる。有機物合成部１１で合成される有機物の具体例としては、炭素含有の液体燃料等が挙げられる。有機物合成部１１の生成物（有機物）は、有機物合成部１１から排出され、例えば別途設置されたタンク等の貯蔵設備（図示せず）に送られる。
【0018】
一方、ＣＯ２電解部５のアノード室４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）と二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。アノード室４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４から排出される。Ｏ２－ＣＯ２含有ガスを含む電解液ＶＬ１は、アノード室４の排出配管に接続された第１気液分離部１２に送られて、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ４が電解液から分離される。分離された電解液は、図示していないがアノード室４に返送される。分離されたＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ４のＣＯ２濃度は６０体積％以上程度と高いため、そのまま大気中に放出した場合にはＣＯ２の有効活用を妨げることになる。さらに、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ４は比較的多くのＯ２を含むため、そのままカソード室３に送るとＣＯ２電解部５の動作や機能を低下させることになる。そこで、ＣＯ２電解部５のアノード室４から排出され、第１気液分離部１２で分離回収されたＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ４は、酸素燃焼発電部７に送られる。
【0019】
酸素燃焼発電部７としては、クローズドサイクルガスタービン、タービンコンバインドサイクル発電、グラーツサイクルガスタービン、超臨界ＣＯ２タービン、酸素燃料燃焼装置（Ｏｘｙ－Ｆｕｅｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）等を適用することができる。これらは水素等を燃料として、Ｏ２－ＣＯ２含有ガス中のＯ２を効率よく消費することができ、さらに燃焼に基づいてガスタービン等を効率よく稼働させることができるため、Ｏ２－ＣＯ２含有ガス中のＯ２を酸化剤として発電することが可能である。酸素燃焼発電部７で発電した電力は、ＣＯ２電解部５の動作電力の一部として使用することができる。
【0020】
酸素燃焼発電部７でＯ２－ＣＯ２含有ガスを燃焼反応で消費するにあたって、酸素燃焼発電部７にはＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ４に加えて、燃料供給部６から燃料が供給される。燃料供給部６から供給する燃料は、特に限定されるものではなく、水素（Ｈ２）、炭素（Ｃ）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）のような低級炭化水素等のいずれであってもよい。燃料供給部６は酸素吹ガス化炉等であってもよい。燃料供給部６から供給する燃料は、Ｏ２－ＣＯ２含有ガス中のＯ２に対して当量比で供給することが好ましい。酸素燃焼発電部７において、Ｏ２はＨ２Ｏ又はＣＯ２に変換される。例えば、燃料として水素（Ｈ２）を供給した場合、Ｈ２Ｏが生成される。燃料として炭素（Ｃ）や一酸化炭素（ＣＯ）を供給した場合、ＣＯ２が生成される。燃料としてメタン（ＣＨ４）等を供給した場合も同様であり、Ｈ２ＯやＣＯ２が生成される。生成されたＣＯ２は、Ｏ２－ＣＯ２含有ガス中のＣＯ２と同時に回収される。
【0021】
酸素燃焼発電部７としてクローズドサイクルガスタービン、タービンコンバインドサイクル発電、グラーツサイクルガスタービン、超臨界ＣＯ２タービン、酸素燃料燃焼装置（Ｏｘｙ－Ｆｕｅｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）等を使用した際に、単に燃料を供給して燃焼を行うと、酸素燃焼発電部７が高温化する。そのような点に対して、生成したＨ２Ｏ（例えば水蒸気）やＣＯ２を循環媒体として使用することによって、酸素燃焼発電部７の高温化を抑制することができる。例えば、クローズドサイクルガス、タービンコンバインドサイクル発電、グラーツサイクルガスタービンでは、Ｈ２ＯやＣＯ２が循環媒体として用いられる。超臨界ＣＯ２タービンや酸素燃料燃焼装置（Ｏｘｙ－Ｆｕｅｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）では、ＣＯ２が循環媒体として用いられる。これらによって、酸素燃焼発電部７を安全に効率よく運転することができる。
【0022】
酸素燃焼発電部７からは、Ｈ２Ｏ（水蒸気）－ＣＯ２含有ガスＧ５が排出される。Ｈ２Ｏ（水蒸気）－ＣＯ２含有ガスＧ５は、凝縮器８に送られて冷却され、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を凝縮して水に変換する。凝縮器８からは、水蒸気（Ｈ２Ｏ）の凝縮による水を含む水（Ｈ２Ｏ）－二酸化炭素（ＣＯ２）の二相流体ＶＬ２が排出される。Ｈ２Ｏ－ＣＯ２二相流体ＶＬ２は、第２気液分離器９に送られる。第２気液分離器９において、Ｈ２Ｏ－ＣＯ２二相流体ＶＬ２中の水が分離される。分離された水（Ｈ２Ｏ）の少なくとも一部は、ＣＯ２電解部のアノード室４に供給される電解液の一部として使用してもよいし、あるいは循環媒体として酸素燃焼発電部７に返送するようにしてもよい。第２気液分離器９で分離されたＣＯ２ガスＧ６は、ガス混合器１３に送られる。ガス混合器１３はＣＯ２電解部５のカソード室３に接続されている。ガス混合器１３において、第２気液分離器９で分離されたＣＯ２ガスＧ６はＣＯ２ガスＧ２と混合されて、カソード室３に供給される。第２気液分離器９から排出される水及び二酸化炭素の少なくとも１つは、酸素燃焼発電部７の循環媒体として使用してもよい。
【0023】
上述したように、ＣＯ２電解部５のアノード室４から排出されるＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ４を酸素燃焼発電部７で燃焼させて、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ４中のＯ２をＨ２ＯやＣＯ２に変換することによって、カソード室３における動作不良や機能低下等を抑制した上で、アノード室４で副次的に生成され、第２気液分離器９で分離されたＣＯ２ガスをＣＯ２電解部５のカソード室３に返送することができる。さらに、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ４中のＯ２をＣＯ２として再生成することができる。これらによって、二酸化炭素変換装置１におけるＣＯ２の大気中への放出を低減した上で、ＣＯ２の有効利用率を高めることができ、かつ装置利用効率を向上させることが可能になる。
【0024】
図２ないし図５に実施形態の二酸化炭素変換装置１において使用した燃料の種類と各部のガスの生成量との関係を示す。図２は実施形態の二酸化炭素変換装置１における燃料として水素（Ｈ２）を用いた場合の各部のガスの生成量を示す図である。図３は実施形態の二酸化炭素変換装置１における燃料としてメタン（ＣＨ４）を用いた場合の各部のガスの生成量を示す図である。図４は実施形態の二酸化炭素変換装置１における燃料として炭素（Ｃ）を用いた場合のガスの各部の生成量を示す図である。図５は実施形態の二酸化炭素変換装置１における燃料として水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を用いた場合の各部のガスの生成量を示す図である。これらの図において、各部の数値は対象ガスの容量を示している。いずれの燃料を用いた場合にも、ＣＯ２を有効利用することができる。
【0025】
なお、第２気液分離器９から排出された水の一部は、ＣＯ２電解部５に供給するようにしてもよい。また、図示していないが、第２気液分離器９で回収された水やＣＯ２の一部は酸素燃焼発電部７の循環媒体として利用することができる。図示していないが、各機器間に流体を供給するためのポンプ、圧縮機、ブロワー、制御装置等が存在する。第２気液分離器９から放出されるＣＯ２中における酸素の残存を避けるために、酸素燃焼発電部７での燃料／酸素比は当量比よりもわずかに大きく設定してして酸素の残存を防止することが好ましい。あるいは、第２気液分離器９上流又は下流側に触媒燃焼器を設け、水素等と残存酸素を反応させるようにしてもよい。燃焼触媒としてはＰｔ、Ｐｄが用いられる。
【0026】
なお、上述した各実施形態の構成は、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】
【0027】
１…ＣＯ２変換装置、２…ＣＯ２供給部、３…カソード室、４…アノード室、５…ＣＯ２電解部、６…燃料供給部、７…酸素燃焼発電部、８…凝縮器、９…第２気液分離器、１０…隔膜、１１…有機合成部、１２…第１気液分離器、１３…ガス混合器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】