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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】P2024172778
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】二酸化炭素変換システム
(51)【国際特許分類】
C10L 3/08 20060101AFI20241205BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20241205BHJP
【ＦＩ】
C10L3/08
C25B1/23
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023090741
(22)【出願日】2023-06-01
(71)【出願人】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】竹本 翔一
(72)【発明者】
【氏名】宮脇 亜紀
(72)【発明者】
【氏名】岡村 和政
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA09
4K021DC11
(57)【要約】
【課題】本開示は、回収装置から供給されるＣＯ２の濃度変化に対処し、電解装置にＣＯ２を安定的に供給可能なＣＯ２変換システムを提供する。
【解決手段】ＣＯ２変換システム１は、ＣＯ２を含む気体からＣＯ２を回収する回収装置２と、ＣＯ２を電気分解してＣＯを含む合成ガスを生成する電解装置３と、回収装置２で脱離されたＣＯ２を電解装置３へ供給する供給系４と、を備える。供給系４は、回収装置２から供給されるＣＯ２を貯留して電解装置３へ供給する緩衝装置４１を有する。
【選択図】図１
【解決手段】ＣＯ２変換システム１は、ＣＯ２を含む気体からＣＯ２を回収する回収装置２と、ＣＯ２を電気分解してＣＯを含む合成ガスを生成する電解装置３と、回収装置２で脱離されたＣＯ２を電解装置３へ供給する供給系４と、を備える。供給系４は、回収装置２から供給されるＣＯ２を貯留して電解装置３へ供給する緩衝装置４１を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二酸化炭素を含む気体から二酸化炭素を回収する回収装置と、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を含む合成ガスを生成する電解装置と、前記回収装置で脱離された二酸化炭素を前記電解装置へ供給する供給系と、を備え、
前記供給系は、前記回収装置から供給される二酸化炭素を貯留して前記電解装置へ供給する緩衝装置を有することを特徴とする二酸化炭素変換システム。
前記供給系は、前記回収装置から供給される二酸化炭素を貯留して前記電解装置へ供給する緩衝装置を有することを特徴とする二酸化炭素変換システム。
【請求項2】
前記供給系は、前記緩衝装置と前記電解装置との間に、前記緩衝装置から前記電解装置へ供給される二酸化炭素の流量を制御する流量制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素変換システム。
【請求項3】
前記緩衝装置の容量Ｃ［Ｌ］と、前記回収装置から供給される二酸化炭素の最大流量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］は、以下の式（１）の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素変換システム。
０．１５×Ｑ≦Ｃ≦０．２５×Ｑ （１）
０．１５×Ｑ≦Ｃ≦０．２５×Ｑ （１）
【請求項4】
前記供給系は、前記緩衝装置から前記電解装置の入口までの間に設けられて二酸化炭素の濃度を検出するセンサと、前記センサによって検出される二酸化炭素の濃度を所定の目標濃度に漸近させるように前記回収装置における二酸化炭素の脱離を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、二酸化炭素変換システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来からバイオガスを利用したメタネーションシステムが知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１のバイオガス利用メタネーションシステムは、被処理ガスを燃料ガスとして用いる固体酸化物形燃料電池と、再生可能エネルギー発電装置の電力を用いて水素を生成可能な水素生成装置と、システム内の二酸化炭素を水素生成装置で生成された水素とメタネーション処理するメタネーション装置と、を備える。システム内の二酸化炭素は、被処理ガスの供給量、または、再生可能エネルギー発電装置の電力に基いて貯蔵装置に貯蔵可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－１５５６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一方、二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）から合成燃料を製造するプロセスに使用されるＣＯ２変換システムは、たとえば、ＣＯ２回収装置と、電解装置とを備えている。ＣＯ２回収装置は、たとえば、大気や工場等の排気からＣＯ２を回収する。電解装置は、たとえば、再生可能エネルギーに由来する電力を利用し、ＣＯ２回収装置で回収されたＣＯ２を電気分解して一酸化炭素（ＣＯ）を含む合成ガスを生成する。このようなＣＯ２変換システムは、以下のような課題を有している。
【0005】
電解装置は、再生可能エネルギーの供給の変動に応じた電解量制御を行うため、電解量に応じたＣＯ２量が要求される。しかし、ＣＯ２回収装置は、回収したＣＯ２の脱離開始時にＣＯ２の濃度が急上昇し、電解装置の要求値に対してオーバーシュートする。ＣＯ２から合成ガスへの変換効率を向上させるためには、電解装置で要求されるＣＯ２量に対して、ＣＯ２を過不足なく安定的に供給することが求められる。
【0006】
本開示は、ＣＯ２回収装置から供給されるＣＯ２の濃度変化に対処し、電解装置にＣＯ２を安定的に供給可能なＣＯ２変換システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一態様は、二酸化炭素を含む気体から二酸化炭素を回収する回収装置と、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を含む合成ガスを生成する電解装置と、前記回収装置で脱離された二酸化炭素を前記電解装置へ供給する供給系と、を備え、前記供給系は、前記回収装置から供給される二酸化炭素を貯留して前記電解装置へ供給する緩衝装置を有することを特徴とする二酸化炭素変換システムである。
【発明の効果】
【0008】
本開示の上記一態様によれば、ＣＯ２回収装置から供給されるＣＯ２の濃度変化に対処し、電解装置にＣＯ２を安定的に供給可能なＣＯ２変換システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して本開示に係る二酸化炭素変換システムの実施形態を説明する。
【0011】
［実施形態１］
図１は、本開示に係る二酸化炭素変換システムの実施形態１を示す概略図である。以下の説明では、特に必要な場合を除いて、二酸化炭素を「ＣＯ２」と表記する。
図１は、本開示に係る二酸化炭素変換システムの実施形態１を示す概略図である。以下の説明では、特に必要な場合を除いて、二酸化炭素を「ＣＯ２」と表記する。
【0012】
ＣＯ２を循環させるエネルギー循環型社会を実現するために、ＣＯ２変換／燃料合成技術の開発が求められている。本実施形態のＣＯ２変換システム１は、たとえば、ＣＯ２と水素（Ｈ２）から合成燃料を製造するプロセスに用いられ、大気や工場等の排気から回収したＣＯ２を電気分解して一酸化炭素（ＣＯ）を含む合成ガスを生成する。特に、電気分解による合成ガス生成は、他の方法と比較して高いエネルギー効率が期待されている。
【0013】
ＣＯ２変換システム１は、たとえば、車両に合成燃料を供給する合成燃料ステーションなどの供給施設に併設される合成燃料製造プラントに設置される。すなわち、ＣＯ２変換システム１の各構成は、同一サイトに設置される。ＣＯ２変換システム１は、たとえば、回収装置２と、電解装置３と、供給系４とを備えている。ＣＯ２変換システム１は、たとえば、複数の回収装置２を備えていてもよい。
【0014】
回収装置２は、たとえば、大気や工場等の排気等、ＣＯ２を含む気体からＣＯ２を回収する装置である。回収装置２におけるＣＯ２の回収は、たとえば、気体中のＣＯ２を直接的に回収する技術であるダイレクト・エア・キャプチャー（ＤＡＣ）によって行うことができる。なお、回収装置２におけるＣＯ２の回収は、ＤＡＣに限定されず、他の技術を採用してもよい。
【0015】
電解装置３は、たとえば、回収装置２で回収された後に脱離されたＣＯ２を電気分解してＣＯを含む合成ガスを生成する。電解装置３における電解方式は、たとえば、再生可能エネルギーに由来する電力を使用して合成ガスを生成する固体酸化物形水電解（Solid Oxide Electrolysis Cell：ＳＯＥＣ）を採用することができる。すなわち、電解装置３は、たとえば、ＣＯ２とともに水蒸気（Ｈ２Ｏ）が供給され、８００℃程度の高温で水素（Ｈ２）とＣＯを含む合成ガスを生成する。電解装置３は、生成した合成ガスを、たとえば、図示を省略する燃料合成装置へ供給する。
【0016】
図１に示すＣＯ２変換システム１の各構成が同一サイトに設置される場合、回収装置２で脱離したＣＯ２を別サイトの電解装置３へ輸送する必要がない。そのため、ＣＯ２の充填設備が不要になり、ＣＯ２の輸送コストを抑制できる反面、回収装置２から電解装置３へＣＯ２を安定的に供給することが課題となる。
【0017】
供給系４は、たとえば、緩衝装置４１を含んでいる。また、供給系４は、たとえば、上流配管４２と、電磁弁４３と、下流配管４４を含んでいてもよい。緩衝装置４１は、回収装置２から供給されるＣＯ２を貯留して電解装置３へ供給する。緩衝装置４１は、たとえば、ＣＯ２を貯留するバッファタンクである。緩衝装置４１の容量Ｃ［Ｌ］と、回収装置２から供給されるＣＯ２の最大流量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］は、たとえば、以下の式（１）の関係を満たす。
【0018】
０．１５×Ｑ≦Ｃ≦０．２５×Ｑ （１）
【0019】
より詳細には、たとえば、回収装置２から供給されるＣＯ２の最大流量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］が１０００［Ｌ／ｍｉｎ］である場合、緩衝装置４１の容量Ｃ［Ｌ］は、１５０［Ｌ］以上かつ２５０［Ｌ］以下に設定される。
【0020】
上流配管４２は、たとえば、各々の回収装置２と緩衝装置４１とを接続する配管であり、回収装置２で脱離されたＣＯ２を各々の回収装置２から緩衝装置４１へ供給する。電磁弁４３は、たとえば、各々の上流配管４２の途中に設けられ、各々の上流配管４２を開閉する。下流配管４４は、たとえば、緩衝装置４１と電解装置３を接続する配管であり、緩衝装置４１に貯留されたＣＯ２を含む気体を電解装置３へ供給する。
【0021】
より具体的には、電磁弁４３は、回収装置２によるＣＯ２の回収時に、上流配管４２を閉鎖して、回収装置２と緩衝装置４１との間のＣＯ２を含む気体の流れを遮断する。また、電磁弁４３は、回収装置２におけるＣＯ２の脱離時に、上流配管４２を開放して、回収装置２から緩衝装置４１へＣＯ２を含む気体を流通させる。したがって、変換システム１が複数の回収装置２を備える場合には、各々の回収装置２において時期をずらしてＣＯ２の回収と脱離を行うことで、回収装置２から電解装置３へＣＯ２を連続的に供給することができる。
【0022】
以下、図２を参照して、本実施形態のＣＯ２変換システム１の作用を説明する。
【0023】
図２は、図１のＣＯ２変換システム１の緩衝装置４１の前後のＣＯ２濃度［％］の時間変化を示すグラフである。より詳細には、図２の（ａ）のグラフは、緩衝装置４１の上流側の上流配管４２を流れる気体に含まれるＣＯ２濃度［％］の時間変化を示すグラフであり、図２の（ｂ）のグラフは、緩衝装置４１の下流側の下流配管４４を流れる気体に含まれるＣＯ２濃度［％］の時間変化を示すグラフである。なお、図２の（ｂ）のグラフでは、回収装置２において脱離されるＣＯ２量の制御値Ｃｔと、電解装置３におけるＣＯ２量の要求値Ｃｒを、それぞれ破線で示している。
【0024】
図２の（ａ）のグラフに示すように、回収装置２におけるＣＯ２の脱離時に回収装置２から供給される気体に含まれるＣＯ２の濃度は、ＣＯ２の脱離開始後に急上昇し、その後、時間の経過とともに急減する。一方、電解装置３は、たとえば、再生可能エネルギーに由来する電力の供給変動に対応した電解量制御を行うため、電解量に応じたＣＯ２の供給量が要求される。そのため、ＣＯ２変換システム１の高効率化のためには、電解装置３で要求されるＣＯ２量に対して過不足なくＣＯ２を供給する必要があり、図２の（ａ）のグラフに示すようなＣＯ２濃度の変動に対処する必要がある。
【0025】
これに対し、本実施形態の二酸化炭素変換システム１は、前述のように、二酸化炭素を含む気体から二酸化炭素を回収する回収装置２と、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を含む合成ガスを生成する３と、回収装置２で脱離された二酸化炭素を電解装置３へ供給する供給系４と、を備えている。供給系４は、回収装置２から供給される二酸化炭素を貯留して電解装置３へ供給する緩衝装置４１を有している。
【0026】
このような構成により、本実施形態のＣＯ２変換システム１は、回収装置２で脱離されたＣＯ２を、一旦、緩衝装置４１に貯留することができる。さらに、緩衝装置４１に貯留されてＣＯ２の濃度勾配が緩和された高濃度のＣＯ２を含む気体を、緩衝装置４１から電解装置３へ供給することができる。その結果、図２の（ｂ）のグラフに示すように、回収装置２において脱離されるＣＯ２量の制御値Ｃｔを所定値に設定することで、回収装置２で脱離されるＣＯ２濃度の変動に関わらず、ＣＯ２量の要求値Ｃｒに応じたＣＯ２濃度の気体を、電解装置３へ安定的に供給することができる。
【0027】
また、本実施形態の二酸化炭素変換システム１は、たとえば、前述のように、緩衝装置４１の容量Ｃ［Ｌ］と、回収装置２から供給される二酸化炭素の最大流量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］が前記式（１）の関係を満たす。
【0028】
このような構成により、本実施形態のＣＯ２変換システム１は、回収装置２から緩衝装置４１に供給される気体に含まれるＣＯ２の濃度の変動を、必要十分な容量Ｃを有する緩衝装置４１によってより確実に緩和することができる。したがって、本実施形態のＣＯ２変換システム１によれば、回収装置から供給されるＣＯ２の濃度変化に緩衝装置４１によってより確実に対処し、電解装置３にＣＯ２をより安定的に供給することができる。
【0029】
以上説明したように、本実施形態によれば、回収装置２から供給されるＣＯ２の濃度変化に対処し、電解装置３にＣＯ２を安定的に供給可能なＣＯ２変換システム１を提供することができる。
【0030】
【0031】
図３は、本開示に係るＣＯ２変換システムの実施形態２を示す概略図である。本実施形態のＣＯ２変換システム１Ａは、供給系４Ａが流量制御装置４５を有している点で、前述の実施形態１のＣＯ２変換システム１と異なっている。本実施形態のＣＯ２変換システム１Ａのその他の構成は、前述の実施形態１のＣＯ２変換システム１と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【0032】
流量制御装置４５は、たとえば、緩衝装置４１と電解装置３とを接続する下流配管４４の途中に設けられたマスフローコントローラ（ＭＦＣ）である。流量制御装置４５は、たとえば、流量センサと、制御回路と、流量制御バルブとを備えている。流量センサは、たとえば、流量制御装置４５を通過するＣＯ２を含む気体の流量を検出する。制御回路は、その流量センサによって検出された流量と、予め設定された流量目標値とに基いて、流量指令値を出力する。流量制御バルブは、たとえば、その制御回路から出力された制御指令値に基いて流量制御装置４５を通過する気体の流量を制御する。
【0033】
図４は、図３のＣＯ２変換システム１Ａの緩衝装置４１の前後のＣＯ２流量の時間変化を示すグラフである。より詳細には、図４の（ａ）のグラフは、緩衝装置４１の上流側の上流配管４２を流れる気体に含まれるＣＯ２濃度［％］の時間変化を示すグラフであり、図４の（ｂ）のグラフは、流量制御装置の下流側の下流配管４４を流れる気体に含まれるＣＯ２濃度［％］の時間変化を示すグラフである。なお、図４の（ｂ）のグラフでは、流量制御装置４５の制御量Ｃｍｆｃを破線で示している。
【0034】
本実施形態の二酸化炭素変換システム１Ａは、前述の実施形態１の二酸化炭素変換システム１と同様の構成を備えている。さらに、本実施形態の二酸化炭素変換システム１Ａにおいて、供給系４Ａは、図３に示すように、緩衝装置４１と電解装置３との間に、緩衝装置４１から電解装置３へ供給される二酸化炭素の流量を制御する流量制御装置４５を備えている。
【0035】
このような構成により、本実施形態のＣＯ２変換システム１Ａによれば、前述の実施形態１のＣＯ２変換システム１と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施形態のＣＯ２変換システム１Ａによれば、図２の（ｂ）に示すような、緩衝装置４１から排出される気体に含まれるＣＯ２の濃度の微小な変動を、図４の（ｂ）に示すように、流量制御装置４５によってより均一化することが可能になる。
【0036】
【0037】
図５は、本開示に係るＣＯ２変換システムの実施形態３を示す概略図である。本実施形態のＣＯ２変換システム１Ｂは、供給系４ＢがＣＯ２の濃度を検出するセンサ４６と、図示を省略する制御装置とを備える点で、前述の実施形態１のＣＯ２変換システム１と異なっている。本実施形態のＣＯ２変換システム１Ｂのその他の点は、前述の実施形態１のＣＯ２変換システム１と同様であるので、同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【0038】
センサ４６は、たとえば、緩衝装置４１から電解装置３の入口までの間に設けられて、ＣＯ２の濃度を検出する。図５に示す例において、センサ４６は、緩衝装置４１に設けられ、緩衝装置４１に貯留される気体のＣＯ２の濃度を検出する。供給系４Ｂの制御装置は、たとえば、センサ４６によって検出されるＣＯ２の濃度を所定の目標濃度に漸近させるように、回収装置２におけるＣＯ２の脱離を制御する。
【0039】
より具体的には、制御装置は、たとえば、回収装置２の温度を上昇させ、回収装置２の圧力を低下させ、回収装置２に供給される水蒸気量を増加させることで、回収装置２において脱離されるＣＯ２を増加させる。また、制御装置は、たとえば、回収装置２の温度を低下させ、回収装置２の圧力を増加させ、回収装置２に供給される水蒸気量を減少させることで、回収装置２において脱離されるＣＯ２を減少させる。
【0040】
図６は、図５のＣＯ２変換システム１Ｂの動作を説明するフロー図である。ＣＯ２変換システム１Ｂの供給系４Ｂを構成する制御装置は、たとえば、図６に示す処理を開始すると、第１処理Ｐ１を実行する。この第１処理Ｐ１において、制御装置は、以下の式（２）の条件を満たすか否かを判定する。
【0041】
１－ＣＣＯ２／ＣＣＯ２_Ｔｒｇ≦±ｋｅｒｒｏｒ （２）
【0042】
上記式（２）において、ＣＣＯ２はセンサ４６によって検出されたＣＯ２の濃度である。また、ＣＣＯ２_Ｔｒｇは、制御装置において予め設定される目標濃度である。ｋｅｒｒｏｒは目標濃度ＣＣＯ２_Ｔｒｇに対するセンサ４６の検出濃度ＣＣＯ２の許容誤差である。制御装置は、第１処理Ｐ１において上記式（２）の条件を満たす場合には、図６に示す処理フローを終了させる。
【0043】
一方、第１処理Ｐ１において上記式（２）の条件を満たさない場合、制御装置は、図６に示す第２処理Ｐ２を実行する。この第２処理Ｐ２において、センサ４６の検出濃度ＣＣＯ２が目標濃度ＣＣＯ２_Ｔｒｇよりも低い場合、制御装置は、次の第３処理Ｐ３において、回収装置２で脱離されるＣＯ２を増加させる。具体的には、制御装置は、回収装置２の温度を上昇させ、回収装置２の圧力を低下させ、回収装置２に供給される水蒸気量を増加させる。その後、制御装置は、後述する第５処理Ｐ５を実行する。
【0044】
一方、第２処理Ｐ２において、センサ４６の検出濃度ＣＣＯ２が目標濃度ＣＣＯ２_Ｔｒｇよりも高い場合、制御装置は、次の第４処理Ｐ４において、回収装置２で脱離されるＣＯ２を減少させる。具体的には、制御装置は、回収装置２の温度を低下させ、回収装置２の圧力を増加させ、回収装置２に供給される水蒸気量を減少させる。その後、制御装置は、次の第５処理Ｐ５を実行する。
【0045】
第５処理Ｐ５において、制御装置は、前述の第１処理Ｐ１と同様に、上記式（２）の条件を満たすか否かを判定する。制御装置は、第５処理Ｐ５において、上記式（２）の条件を満たす場合には、図６に示す処理フローを終了させ、上記式（２）の条件を満たさない場合には、第２処理Ｐ２以降の処理を繰り返す。
【0046】
以上のように、本実施形態の二酸化炭素変換システム１Ｂは、前述の実施形態１の二酸化炭素変換システム１と同様の構成に加えて、供給系４Ｂがセンサ４６と制御装置とを備えている。センサ４６は、緩衝装置４１から電解装置３の入口までの間に設けられて二酸化炭素の濃度を検出する。制御装置は、センサ４６によって検出される二酸化炭素の濃度ＣＣＯ２を所定の目標濃度ＣＣＯ２_Ｔｒｇに漸近させるように回収装置２における二酸化炭素の脱離を制御する。
【0047】
このような構成により、本実施形態のＣＯ２変換システム１Ｂによれば、前述の実施形態１のＣＯ２変換システム１と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施形態のＣＯ２変換システム１Ｂによれば、回収装置２から緩衝装置４１へ供給されるＣＯ２の濃度を所定の目標濃度ＣＣＯ２_Ｔｒｇに漸近させることができ、緩衝装置４１から電解装置３へ供給されるＣＯ２の濃度をより均一化することが可能になる。
【0048】
以上、図面を用いて本開示に係る二酸化炭素変換システムの実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。
【符号の説明】
【0049】
１，１Ａ，１Ｂ ＣＯ２変換システム（二酸化炭素変換システム）
２ 回収装置
３ 電解装置
４，４Ａ，４Ｂ 供給系
４１ 緩衝装置
４５ 流量制御装置
４６ センサ
２ 回収装置
３ 電解装置
４，４Ａ，４Ｂ 供給系
４１ 緩衝装置
４５ 流量制御装置
４６ センサ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】