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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】P2024030930
(43)【公開日】2024-03-07
(54)【発明の名称】二酸化炭素変換装置
(51)【国際特許分類】
B01D 53/62 20060101AFI20240229BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20240229BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240229BHJP
C25B 9/19 20210101ALI20240229BHJP
C25B 1/02 20060101ALI20240229BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240229BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20240229BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20240229BHJP
C02F 1/461 20230101ALI20240229BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20240229BHJP
【ＦＩ】
B01D53/62
C25B1/23 ZAB
C25B9/00 Z
C25B9/19
C25B1/02
C25B9/00 A
C25B1/04
C25B15/08 302
H01M8/04 Z
C02F1/461 101A
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022134175
(22)【出願日】2022-08-25
【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３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
(72)【発明者】
【氏名】村松 武彦
(72)【発明者】
【氏名】竹山 大基
【テーマコード（参考）】
4D002
4D061
4K021
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
4D002AA09
4D002AC04
4D002AC10
4D002BA02
4D002BA03
4D002BA04
4D002BA20
4D002CA01
4D002CA20
4D002DA31
4D002EA02
4D002FA10
4D061DA10
4D061DB20
4D061EA03
4D061EA04
4D061EB01
4D061EB04
4D061EB12
4D061FA03
4D061FA06
4D061FA20
4K021AA01
4K021AB25
4K021BA02
4K021BA17
4K021CA11
4K021DB36
4K021DC15
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB21
5H127AC04
5H127BA05
5H127BB04
(57)【要約】
【課題】ＣＯ２の有効活用を促進し、ＣＯ２の大気中への放出を低減す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を還元してＣＯを生成するカソード室６とアノード室７とを備える電解部３と、カソード室６から供給されるＣＯ含有ガスを含む原料ガスから有機物を合成する有機物合成部４と、有機物合成部４から排出される有機物の合成残ガスが供給される部分酸化室１０、アノード室７から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスが供給される酸素除去室１１、及び部分酸化室１０と酸素除去室１１との間に配置される酸素透過膜１２とを備える酸素透過膜型部分酸化部５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を還元してＣＯを生成するカソード室６とアノード室７とを備える電解部３と、カソード室６から供給されるＣＯ含有ガスを含む原料ガスから有機物を合成する有機物合成部４と、有機物合成部４から排出される有機物の合成残ガスが供給される部分酸化室１０、アノード室７から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスが供給される酸素除去室１１、及び部分酸化室１０と酸素除去室１１との間に配置される酸素透過膜１２とを備える酸素透過膜型部分酸化部５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する二酸化炭素回収部と、
前記二酸化炭素回収部で回収された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、
前記二酸化炭素電解部の前記カソード室から一酸化炭素含有ガスが供給され、一酸化炭素含有ガスを含む原料ガスから有機物を合成する有機物合成部と、
前記有機物合成部から排出される前記有機物の合成残ガスが供給される部分酸化室と、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酸素除去室と、前記部分酸化室と前記酸素除去室との間に配置される酸素透過膜とを備える酸素透過膜型部分酸化部と
を具備する二酸化炭素変換装置。
前記二酸化炭素回収部で回収された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、
前記二酸化炭素電解部の前記カソード室から一酸化炭素含有ガスが供給され、一酸化炭素含有ガスを含む原料ガスから有機物を合成する有機物合成部と、
前記有機物合成部から排出される前記有機物の合成残ガスが供給される部分酸化室と、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酸素除去室と、前記部分酸化室と前記酸素除去室との間に配置される酸素透過膜とを備える酸素透過膜型部分酸化部と
を具備する二酸化炭素変換装置。
【請求項2】
前記酸素透過膜型部分酸化部は、前記部分酸化室で前記有機物の合成残ガスを部分酸化して一酸化炭素を含むガスを生成し、前記一酸化炭素を含むガスを前記有機物合成部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】
前記酸素透過膜型部分酸化部は、前記酸素除去室から酸素濃度を低下させた二酸化炭素含有残ガスを排出し、前記二酸化炭素含有残ガスを前記二酸化炭素回収部に供給するように構成されている、請求項１又は請求項２に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項4】
前記酸素透過膜型部分酸化部は、酸素イオン伝導型電解装置を備える、請求項１に記載の二酸化炭素変換装置。
【請求項5】
前記酸素透過膜型部分酸化部は、酸素イオン伝導型燃料電池を備える、請求項１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、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。ＣＯ生成後のパージガスの一部はＣＯ２の電解装置へ供給され、残部は空気燃焼させて無害化して大気中に放出される。ＣＯ２電解装置から発生する酸素をパージするために供給されるＣＯ２、及び燃焼装置から放出されるＣＯ２は、ＣＯ２電解装置に供給されたＣＯ２のうちで、有効活用されずに大気中に放出されてしまう。このため、供給されたＣＯ２を有効活用し、ＣＯ２の大気中への放出を低減した二酸化炭素変換装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【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】
【0004】
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、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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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する二酸化炭素回収部と、前記二酸化炭素回収部で回収された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、前記二酸化炭素電解部の前記カソード室から一酸化炭素含有ガスが供給され、一酸化炭素含有ガスを含む原料ガスから有機物を合成する有機物合成部と、前記有機物合成部から排出される前記有機物の合成残ガスが供給される部分酸化室と、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酸素除去室と、前記部分酸化室と前記酸素除去室との間に配置される酸素透過膜とを備える酸素透過膜型部分酸化部とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
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。
【0008】
（第１の実施形態）
図１は第１の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、二酸化炭素（ＣＯ２）含有ガスからＣＯ２を回収するＣＯ２回収部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から供給される一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）とを含む原料ガスから有機物を合成する有機物合成部４と、有機物合成部４から排出される有機物の合成残ガスを部分酸化してＣＯを含むガスを生成する酸素透過膜型部分酸化部５とを具備している。
図１は第１の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、二酸化炭素（ＣＯ２）含有ガスからＣＯ２を回収するＣＯ２回収部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から供給される一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）とを含む原料ガスから有機物を合成する有機物合成部４と、有機物合成部４から排出される有機物の合成残ガスを部分酸化してＣＯを含むガスを生成する酸素透過膜型部分酸化部５とを具備している。
【0009】
ＣＯ２回収部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回収部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、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たＣＯ２を回収する。ＣＯ２回収部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。
【0010】
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）６とアノード室（酸化部）７とを備えている。カソード室６は還元電極（カソード）を備え、アノード室７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７には電解液が流通又は満たされている。カソード室６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６又はアノード室７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。
【0011】
カソード室６には、ＣＯ２回収部２で回収されたＣＯ２ガスＧ２が供給される。カソード室６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７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６とアノード室７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８、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。
【0012】
ＣＯ２電解部３のカソード室６及びアノード室７においては、以下に示すような反応が生じる。カソード室６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６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６で生成された炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）は、隔膜８を介してアノード室７に移動する。アノード室７においては、下記の（２）式に示すように、カソード室６で生成され、隔膜８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６で生成された炭酸イオン（ＣＯ３ ２－）は、隔膜８を介してアノード室７に移動する。アノード室７においては、下記の（２）式に示すように、カソード室６で生成され、隔膜８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）
【0013】
さらに、カソード室６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６で生成された水酸化物イオン（ＯＨ－）は、隔膜８を介してアノード室７に移動する。そして、下記の（４）式に示すように、アノード室７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６で生成された水酸化物イオン（ＯＨ－）は、隔膜８を介してアノード室７に移動する。そして、下記の（４）式に示すように、アノード室７で水（Ｈ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）が生成される。
２ＯＨ－ → ０．５Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …（４）
【0014】
また、アノード室７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８を介してカソード室６に移動する。カソード室６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６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８を介してカソード室６に移動する。カソード室６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６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）
【0015】
カソード室６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６で生成されたＣＯ及びＨ２は、未反応のＣＯ２と共にカソード室６から排出される。カソード室６から排出される、ＣＯとＨ２とＣＯ２を含む混合ガスＧ３は、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４に供給される。有機物合成部４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）が供給される。
【0016】
有機物合成部４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４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４の生成物（有機物）は、有機物合成部４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。有機物合成部４からは、有機物の合成残ガスＧ４が排出される。合成残ガスＧ４は、残存するＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２やメタン（ＣＨ４）のような不要な生成物等を含んでいる。このような合成残ガスＧ４は、酸素透過膜型部分酸化部５の部分酸化室１０に送られる。
【0017】
一方、ＣＯ２電解部３のアノード室７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７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７から排出される。Ｏ２－ＣＯ２含有ガスを含む電解液は、アノード室７の排出配管に設けられた気液分離部９に送られて、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ５が電解液から分離される。分離されたＯ２－ＣＯ２含有ガスのＣＯ２濃度は３０～６０体積％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。Ｏ２－ＣＯ２含有ガスは比較的多くのＯ２を含むため、そのままカソード室６に送るとＣＯ２電解部３の動作や機能を低下させることになる。そこで、ＣＯ２電解部３のアノード室７から排出され、気液分離部９で分離回収されたＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ５は、酸素透過膜型部分酸化部５の酸素除去室１１に送られる。
【0018】
酸素透過膜型部分酸化部５は、部分酸化室１０と酸素除去室１１とこれらを分離するように配置された酸素透過膜１２とを備えている。酸素透過膜１２としては、緻密質な固体酸化物電解質層等が用いられる。固体酸化物電解質層は、酸素イオン等のイオンを通すものの、気体を通さないイオン伝導体である。固体酸化物電解質層としては、例えばＹ、Ｓｃ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｓｍ等の希土類元素の酸化物からなる安定化剤が固溶された安定化ジルコニア、代表的にはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やセリア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、あるいはこれらの複合体が用いられる。
【0019】
酸素透過膜型部分酸化部５は、第１電極を有する第１電極室としての部分酸化室１０と、第２電極を有する第２電極室としての酸素除去室１１とを、固体酸化物電解質層等からなる酸素透過膜により分離した構造を有する。２つの電極間は、直接接続されており、ショートされている。第２電極室としての酸素除去室１１は、酸素分子（Ｏ２）の酸素イオン（Ｏ２－）への変換を担うものである。第１電極室としての部分酸化室１０は、酸素イオン（Ｏ２－）の酸素分子（Ｏ２）への変換を担うと共に、メタン（ＣＨ４）のような低級炭化水素の部分酸化を担うものである。
【0020】
上述したような酸素透過膜型部分酸化部５において、ＣＯ２電解部３のアノード室７から排出されるＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ５は酸素除去室１１に供給される。酸素除去室１１において、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ５中のＯ２は、下記の（７）式に示すように、酸素イオン（Ｏ２－）に変換される。
Ｏ２＋４ｅ－ → ２Ｏ２－ …（７）
酸素除去室１１で変換された酸素イオン（Ｏ２－）は、酸素透過膜１２を介して部分酸化室１０に送られる。部分酸化室１０に送られた酸素イオン（Ｏ２－）は、下記の（８）式に示すように、酸素分子（Ｏ２）に変換される。
２Ｏ２－ → Ｏ２＋４ｅ－ …（８）
Ｏ２＋４ｅ－ → ２Ｏ２－ …（７）
酸素除去室１１で変換された酸素イオン（Ｏ２－）は、酸素透過膜１２を介して部分酸化室１０に送られる。部分酸化室１０に送られた酸素イオン（Ｏ２－）は、下記の（８）式に示すように、酸素分子（Ｏ２）に変換される。
２Ｏ２－ → Ｏ２＋４ｅ－ …（８）
【0021】
部分酸化室１０においては、下記の（９）式に示すように、合成残ガスＧ４中に含まれるメタン（ＣＨ４）等を部分酸化し、ＣＯとＨ２に変換する。部分酸化とは、例えばメタン（ＣＨ４）の酸化において、（９）式に示すように、部分燃焼（部分酸化）して安定なＣＯ２まで酸化せずに、Ｈ２に富んだＣＯを生成する反応を示す。
２ＣＨ４＋Ｏ２ → ２ＣＯ＋４Ｈ２ …（９）
さらに、下記の（１０）式に示すように、逆水性シフト反応によりＣＯ２とＨ２がＣＯとＨ２Ｏに転換される。
ＣＯ２＋Ｈ２ → ＣＯ＋Ｈ２Ｏ …（１０）
２ＣＨ４＋Ｏ２ → ２ＣＯ＋４Ｈ２ …（９）
さらに、下記の（１０）式に示すように、逆水性シフト反応によりＣＯ２とＨ２がＣＯとＨ２Ｏに転換される。
ＣＯ２＋Ｈ２ → ＣＯ＋Ｈ２Ｏ …（１０）
【0022】
酸素透過膜型部分酸化部５の部分酸化室１０からは、ＣＯとＨ２とを含むガス（ＣＯ－Ｈ２含有ガス）Ｇ６が排出される。ＣＯ－Ｈ２含有ガスＧ６は、有機物合成部４における原料ガスの一部として使用可能であるため、有機物合成部４に供給される。酸素透過膜型部分酸化部５の酸素除去室１１からは、酸素濃度を低下させたＯ２－ＣＯ２含有ガス（低濃度Ｏ２－ＣＯ２含有ガス）Ｇ７が排出される。低濃度Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ７は、比較的高濃度にＣＯ２を含むため、再利用するためにＣＯ２回収部２に返送される。低濃度Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ７は、酸素濃度を低下させているといっても、ある程度のＯ２含んでいる。このため、低濃度Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ７はＣＯ２回収部２に返送し、ＣＯ２回収部２でＣＯ２を分離回収し、ＣＯ２濃度を高めたＣＯ２ガスＧ２としてＣＯ２電解部３のカソード室６に送って再利用される。
【0023】
上述したように、メタン（ＣＨ４）のような不要な生成物等を含む合成残ガスＧ４を酸素透過膜型部分酸化部５の部分酸化室１０に送り、メタン（ＣＨ４）等を部分酸化してＣＯとＨ２を再合成することによって、合成残ガスＧ４を有機物合成部４の原料ガスの一部として有効利用することができる。また、ＣＯ２電解部３のアノード室７から排出されるＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ５を酸素除去室１１に供給し、上記したＣＯとＨ２の再合成に寄与させた上で、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ５中の酸素濃度を低下させている。これによって、ＣＯ２濃度を高めた低濃度Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ７をＣＯ２回収部２に返送してＣＯ２の再利用を促進することができる。さらに、ＣＯ２回収部２にアミン吸収液を用いた化学吸収法等を適用した場合、低濃度Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ７中のＯ２濃度を低下させることによって、ＣＯ２回収部２に必要な熱エネルギーを低減することができると共に、アミン吸収液の酸素劣化を抑制することができる。これらによって、ＣＯ２変換装置１におけるＣＯ２を含むガスの再利用効率を高め、かつ装置利用効率を向上させることが可能になる。
【0024】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態のＣＯ２変換装置１について、図２を参照して説明する。第２の実施形態のＣＯ２変換装置１は、酸素透過膜型部分酸化部（部分酸化装置）として酸素イオン伝導型電解装置２０を備えている。酸素イオン伝導型電解装置２０としては、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）が用いられる。ＳＯＥＣ２０は、水素極室２１と酸素極室２２とこれらを分離するように配置された酸素透過膜２３とを備えている。酸素透過膜２３としては、緻密質な固体酸化物電解質層等が用いられる。固体酸化物電解質層は、酸素イオン等のイオンを通すものの、気体を通さないイオン伝導体である。水素極室２１に配置された水素極（カソード）と酸素極室２２に配置された酸素極（アノード）とは、図示を省略した電源に接続されている。
次に、第２の実施形態のＣＯ２変換装置１について、図２を参照して説明する。第２の実施形態のＣＯ２変換装置１は、酸素透過膜型部分酸化部（部分酸化装置）として酸素イオン伝導型電解装置２０を備えている。酸素イオン伝導型電解装置２０としては、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）が用いられる。ＳＯＥＣ２０は、水素極室２１と酸素極室２２とこれらを分離するように配置された酸素透過膜２３とを備えている。酸素透過膜２３としては、緻密質な固体酸化物電解質層等が用いられる。固体酸化物電解質層は、酸素イオン等のイオンを通すものの、気体を通さないイオン伝導体である。水素極室２１に配置された水素極（カソード）と酸素極室２２に配置された酸素極（アノード）とは、図示を省略した電源に接続されている。
【0025】
ＳＯＥＣ２０における酸素極室２２には、ＣＯ２電解部３のアノード室７から排出され、気液分離部９で分離回収されたＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ５が供給される。酸素極室２２においては、上記した（７）式に示したように、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ５中のＯ２が酸素イオン（Ｏ２－）に変換される。酸素極室２２で変換された酸素イオン（Ｏ２－）は、酸素透過膜２３を介して水素極室２１に送られる。水素極室２１においては、上記した（８）式に示したように、酸素イオン（Ｏ２－）が酸素分子（Ｏ２）に変換される。
【0026】
水素極室２１には、有機物合成部４から排出される有機物の合成残ガスＧ４が供給される。合成残ガスＧ４は、上述したように、残存するＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２やメタン（ＣＨ４）のような不要な生成物等を含んでいる。水素極室２１においては、上記した（９）式に示したように、合成残ガスＧ４中に含まれるメタン（ＣＨ４）等を部分酸化してＣＯとＨ２に変換する。さらに、上記した（１０）式に示したように、逆水性シフト反応によりＣＯ２とＨ２がＣＯとＨ２Ｏに転換される。
【0027】
上述したように、ＳＯＥＣ２０の水素極室２１から排出される、ＣＯとＨ２とを含むガス（ＣＯ－Ｈ２含有ガス）Ｇ６は、有機物を合成する際の原料ガスの一部として有機物合成部４に供給される。ＳＯＥＣ２０の酸素極室２２から排出される、酸素濃度を低下させたＯ２－ＣＯ２含有ガス（低濃度Ｏ２－ＣＯ２含有ガス）Ｇ７は、ＣＯ２回収部２に返送され、ＣＯ２回収部２でＣＯ２を分離回収してＣＯ２ガスＧ２としてＣＯ２電解部３のカソード室６に送られる。このように、合成残ガスＧ４中のメタン（ＣＨ４）等からＣＯとＨ２を合成すると共に、アノード室７から排出されるＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ５からＯ２濃度を低下させる際に、ＳＯＥＣ２０を使用することによって、酸素移動量を電流値で調整して部分酸化状態を制御することが可能になる。さらに、ジュール発熱により反応部を昇温することができるたる、反応性を向上させることが可能になる。
【0028】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態のＣＯ２変換装置１について、図３を参照して説明する。第３の実施形態のＣＯ２変換装置１は、酸素透過膜型部分酸化部（部分酸化装置）として酸素イオン伝導型燃料電池３０を備えている。酸素イオン伝導型燃料電池３０としては、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）が用いられる。ＳＯＦＣ３０は、燃料極室３１と空気極室３２とこれらを分離するように配置された酸素透過膜３３とを備えている。酸素透過膜３３としては、緻密質な固体酸化物電解質層等が用いられる。固体酸化物電解質層は、酸素イオン等のイオンを通すものの、気体を通さないイオン伝導体である。
次に、第３の実施形態のＣＯ２変換装置１について、図３を参照して説明する。第３の実施形態のＣＯ２変換装置１は、酸素透過膜型部分酸化部（部分酸化装置）として酸素イオン伝導型燃料電池３０を備えている。酸素イオン伝導型燃料電池３０としては、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）が用いられる。ＳＯＦＣ３０は、燃料極室３１と空気極室３２とこれらを分離するように配置された酸素透過膜３３とを備えている。酸素透過膜３３としては、緻密質な固体酸化物電解質層等が用いられる。固体酸化物電解質層は、酸素イオン等のイオンを通すものの、気体を通さないイオン伝導体である。
【0029】
ＳＯＦＣ３０における空気極室３２には、ＣＯ２電解部３のアノード室７から排出され、気液分離部９で分離回収されたＯ２－ＣＯ２含有ガスＧ５が供給される。空気極室３２においては、上記した（７）式に示したように、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ５中のＯ２が酸素イオン（Ｏ２－）に変換される。空気極室３２で変換された酸素イオン（Ｏ２－）は、酸素透過膜３２を介して燃料極室３１に送られる。燃料極室３１においては、上記した（８）式に示したように、酸素イオン（Ｏ２－）が酸素分子（Ｏ２）に変換される。ＳＯＦＣ３０においては、Ｏ２が消費される。この際、Ｏ２－ＣＯ２含有ガスＧ５中のＯ２濃度は３０～６０体積％（例えば３３体積％）程度であり、空気中の酸素濃度（２０体積％程度）より高いため、ＳＯＦＣ３０の発電効率を高めることができる。ＳＯＦＣ３０で発電した電力は、ＣＯ２電解部３で消費される電力の一部として使用してもよい。
【0030】
燃料極室３１には、有機物合成部４から排出される有機物の合成残ガスＧ４が供給される。合成残ガスＧ４は、上述したように、残存するＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２やメタン（ＣＨ４）のような不要な生成物等を含んでいる。燃料極室３１においては、上記した（９）式に示したように、合成残ガスＧ４中に含まれるメタン（ＣＨ４）等を部分酸化してＣＯとＨ２に変換する。さらに、上記した（１０）式に示したように、逆水性シフト反応によりＣＯ２とＨ２がＣＯとＨ２Ｏに転換される。
【0031】
上述したように、ＳＯＦＣ３０を用いることよって、有機物合成部４から排出される有機物の合成残ガスＧ４により発電させることができ、さらに合成残ガスＧ４中のメタン等を部分酸化して、有機物合成部４で原料ガスとして使用するＣＯとＨ２を再合成することができる。第１の実施形態に示した酸素透過膜型部分酸化部５、第２の実施形態に示したＳＯＥＣ２０、第３の実施形態に示したＳＯＦＣ３０は、いずれも６００～９００℃の高温で作動させるため、図示しない熱交換器を用いて熱回収を行うことが好ましい。
【0032】
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】
【0033】
１…ＣＯ２変換装置、２…ＣＯ２回収部、３…ＣＯ２電解部、４…有機物合成部、５…酸素透過膜型部分酸化部、６…カソード室、７…アノード室、８…隔膜、１０…部分
酸化室、１１…酸素除去室、１２，２３，３３…酸素透過膜、２０…酸素イオン伝導型電解装置、２１…水素極室、２２…酸素極室、３０…酸素イオン伝導型燃料電池、３１…燃料極室、３２…空気極室。
酸化室、１１…酸素除去室、１２，２３，３３…酸素透過膜、２０…酸素イオン伝導型電解装置、２１…水素極室、２２…酸素極室、３０…酸素イオン伝導型燃料電池、３１…燃料極室、３２…空気極室。
【図1】
【図2】
【図3】