特開 2024-5663 原料生成装置、及び、燃料製造装置

(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】P2024005663

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】原料生成装置、及び、燃料製造装置

(51)【国際特許分類】

   C10L 3/08 20060101AFI20240110BHJP

   C01B 32/50 20170101ALI20240110BHJP

   C01B 3/02 20060101ALI20240110BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20240110BHJP

   B01D 53/82 20060101ALI20240110BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240110BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

C10L3/08

C01B32/50

C01B3/02 H

B01D53/62 ZAB

B01D53/82

C25B1/04

C25B9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022105937

(22)【出願日】2022-06-30

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(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

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100157277

【弁理士】

【氏名又は名称】板倉 幸恵

(72)【発明者】

【氏名】藤田 彰利

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 和人

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 裕次郎

(72)【発明者】

【氏名】永田 哲治

(72)【発明者】

【氏名】堀部 伸光

(72)【発明者】

【氏名】三ツ橋 翔

【テーマコード（参考）】

4D002

4G146

4K021

【Ｆターム（参考）】

4D002AA09

4D002AC10

4D002BA04

4D002CA07

4D002DA31

4D002EA08

4D002FA01

4G146JA02

4G146JB09

4G146JC17

4G146JC28

4K021BA02

4K021DC03

(57)【要約】

【課題】原料生成装置におけるガス回収量を向上させる。
【解決手段】原料生成装置は、二酸化炭素を吸着する吸着材を収容する分離器と、水の電気分解により生じた水素と水蒸気とをパージガスとして分離器に供給することにより、吸着材に吸着された二酸化炭素の脱離を促す水素供給部と、水素供給部と分離器とを繋ぐパージガス流路に設けられ、分離器へと供給されるパージガスの水蒸気圧を調整する湿度制御器と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料生成装置であって、
二酸化炭素を吸着する吸着材を収容する分離器と、
水の電気分解により生じた水素と水蒸気とをパージガスとして前記分離器に供給することにより、前記吸着材に吸着された二酸化炭素の脱離を促す水素供給部と、
前記水素供給部と前記分離器とを繋ぐパージガス流路に設けられ、前記分離器へと供給される前記パージガスの水蒸気圧を調整する湿度制御器と、
を備える、原料生成装置。

【請求項2】

請求項１に記載の原料生成装置であって、
前記吸着材は、前記パージガスの水蒸気圧の増大もしくは回収器内の温度で規定される相対湿度の増大に伴って、前記吸着材からの二酸化炭素の回収量が増大する吸着材である、原料生成装置。

【請求項3】

請求項２に記載の原料生成装置であって、さらに、
前記分離器から排出される混合ガスであって、前記吸着材から脱離した二酸化炭素と、前記パージガス中の水素とを含む混合ガスの排出流路上に、真空ポンプを備える、原料生成装置。

【請求項4】

燃料製造装置であって、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の原料生成装置と、
前記原料生成装置により生成された二酸化炭素と水素とを含む混合ガスを反応させて、炭素と水素とを含む燃料を製造する反応器と、
前記反応器と前記湿度制御器とに接続されて、前記反応器での前記反応によって生じた熱を前記湿度制御器へと供給する第１熱供給部と、
を備える、燃料製造装置。

【請求項5】

請求項４に記載の燃料製造装置であって、さらに、
前記第１熱供給部を介して前記湿度制御器に供給される熱量を調整する第１熱量制御器を備える、燃料製造装置。

【請求項6】

請求項５に記載の燃料製造装置であって、さらに、
前記分離器内の温度を取得する温度取得部と、
前記分離器内の温度が、前記パージガスの露点温度よりも高い状態が維持されるように、前記第１熱量制御器を制御する制御部を備える、燃料製造装置。

【請求項7】

請求項６に記載の燃料製造装置であって、さらに、
前記反応器と前記分離器とに接続されて、前記反応器での前記反応によって生じた熱を前記分離器へと供給する第２熱供給部と、
前記第２熱供給部を介して前記分離器に供給される熱量を調整する第２熱量制御器と、
前記分離器内の温度が、前記吸着材からの二酸化炭素の脱離に適した閾値温度と等しくなるように、前記第２熱量制御器を制御する制御部と、
を備える、燃料製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、原料生成装置、及び、燃料製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

工場等の燃焼装置から排出される排出ガスから、二酸化炭素（ＣＯ₂）を分離して再資源化することが知られている。例えば、特許文献１には、排出ガス中の二酸化炭素を分離器に収容された吸着材に吸着させ、吸着剤から二酸化炭素を脱離し、脱離された二酸化炭素とパージガス中の水素（Ｈ₂）とを含む混合ガスを得て、この混合ガスを反応器により反応させて炭素（Ｃ）と水素とを含む燃料を製造する燃料製造装置が記載されている。特許文献１には、分離器からの混合ガスの排出流路上に真空ポンプを設けることによって、混合ガス中の二酸化炭素と水素の分圧の比率を後処理（すなわち、反応器による反応）に適した割合に調整することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－８３７１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、分離器からの混合ガスの排出流路上に真空ポンプを設けた場合、真空ポンプによる減圧の影響は、パージガス中の水蒸気圧にも及ぶ。具体的には、パージガス中の水蒸気の分圧が減圧されることにより、分離器内に収容された吸着材の性質によっては、吸着剤からのガス回収量（換言すれば、二酸化炭素の回収量）が低下する場合があった。この点、特許文献１に記載の技術では、このような場合について何ら考慮されておらず、改善の余地があった。なお、この課題は、真空ポンプを設ける場合に限らず、パージガス中の水蒸気の分圧が何らかの要因により減圧される場合の全般に共通する。

【0005】

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、原料生成装置におけるガス回収量を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、原料生成装置が提供される。この原料生成装置は、二酸化炭素を吸着する吸着材を収容する分離器と、水の電気分解により生じた水素と水蒸気とをパージガスとして前記分離器に供給することにより、前記吸着材に吸着された二酸化炭素の脱離を促す水素供給部と、前記水素供給部と前記分離器とを繋ぐパージガス流路に設けられ、前記分離器へと供給される前記パージガスの水蒸気圧を調整する湿度制御器と、を備える。

【0008】

この構成によれば、原料生成装置は、水素供給部と分離器とを繋ぐパージガス流路に、分離器へと供給されるパージガスの水蒸気圧を調整する湿度制御器を備える。このため、例えば、分離器よりも下流側に真空ポンプを設ける場合のように、原料生成装置の内外において分離器内のパージガス中の水蒸気の分圧が減圧される要因がある場合であっても、湿度制御器によって分離器へと供給されるパージガスの水蒸気圧を調整することで、分離器内のパージガス中の水蒸気の分圧が減圧されることを抑制できる。この結果、分離器内に収容された吸着材からのガス回収量（二酸化炭素の回収量）の低下を抑制すると共に、原料生成装置におけるガス回収量を向上できる。

【0009】

（２）上記形態の原料生成装置において、前記吸着材は、前記パージガスの水蒸気圧の増大もしくは回収器内の温度で規定される相対湿度の増大に伴って、前記吸着材からの二酸化炭素の回収量が増大する吸着材であってもよい。
この構成によれば、吸着材は、パージガスの水蒸気圧の増大もしくは回収器内の温度で規定される相対湿度の増大に伴って、吸着材からの二酸化炭素の回収量が増大する吸着材である。このため、湿度制御器によって分離器へと供給されるパージガスの水蒸気圧を増加させる方向へと調整することで、吸着材からのガス回収量を増大させて、原料生成装置におけるガス回収量をより一層向上できる。

【0010】

（３）上記形態の原料生成装置では、さらに、前記分離器から排出される混合ガスであって、前記吸着材から脱離した二酸化炭素と、前記パージガス中の水素とを含む混合ガスの排出流路上に、真空ポンプを備えてもよい。
この構成によれば、分離器からの混合ガスの排出流路上に真空ポンプを備えるため、真空ポンプを動作させることによって、混合ガス中の二酸化炭素と水素の分圧の比率を後処理（すなわち、反応器による反応）に適した割合に調整できる。また、本構成によれば、分離器へと供給されるパージガスの水蒸気圧は、湿度制御器によって調整されるため、分離器からの混合ガスの排出流路上に真空ポンプを設けた場合であっても、分離器内のパージガス中の水蒸気の分圧が減圧されることを抑制できる。

【0011】

（４）本発明の一形態によれば、燃料製造装置が提供される。この燃料製造装置は、上記形態の原料生成装置と、前記原料生成装置により生成された二酸化炭素と水素とを含む混合ガスを反応させて、炭素と水素とを含む燃料を製造する反応器と、前記反応器と前記湿度制御器とに接続されて、前記反応器での前記反応によって生じた熱を前記湿度制御器へと供給する第１熱供給部と、を備える。
この構成によれば、燃料製造装置は、反応器と湿度制御器とに接続されて、反応器での反応によって生じた熱を湿度制御器へと供給する第１熱供給部を備える。このため、湿度制御器では、第１熱供給部を介して供給された熱（すなわち、反応器によって生じた熱）を利用して、加湿のための水蒸気を生成することができる。従って、本構成によれば、湿度制御器が外部エネルギを利用して水蒸気の生成を行う場合と比較して、燃料製造装置のエネルギ効率の低下を抑制できる。

【0012】

（５）上記形態の燃料製造装置では、さらに、前記第１熱供給部を介して前記湿度制御器に供給される熱量を調整する第１熱量制御器を備えてもよい。
この構成によれば、燃料製造装置は第１熱量制御器を備えるため、第１熱供給部を介して湿度制御器に供給される熱量を調整できる。

【0013】

（６）上記形態の燃料製造装置では、さらに、前記分離器内の温度を取得する温度取得部と、前記分離器内の温度が、前記パージガスの露点温度よりも高い状態が維持されるように、前記第１熱量制御器を制御する制御部を備えてもよい。
分離器内の温度がパージガスの露点温度を下回った場合、分離器の内部において水蒸気の凝縮が発生し、水が生成される。このように分離器内で凝縮水が生成された場合、次の吸着工程において、吸着材への二酸化炭素の吸着が阻害されるという問題が生じる。また、アミン系固体吸着剤のような水溶性の吸着剤では、分離器内で生成された凝縮水にアミン系化合物が溶解することで、吸着材が漏出し、減少するという問題が生じる。この点、本構成によれば、燃料製造装置の制御部は、分離器内の温度が、パージガスの露点温度よりも高い状態が維持されるように、第１熱量制御器を制御するため、これらの問題が生じることを回避できる。

【0014】

（７）上記形態の燃料製造装置では、さらに、前記反応器と前記分離器とに接続されて、前記反応器での前記反応によって生じた熱を前記分離器へと供給する第２熱供給部と、前記第２熱供給部を介して前記分離器に供給される熱量を調整する第２熱量制御器と、前記分離器内の温度が、前記吸着材からの二酸化炭素の脱離に適した閾値温度と等しくなるように、前記第２熱量制御器を制御する制御部と、を備えてもよい。
この構成によれば、制御部は、分離器内の温度が、吸着材からの二酸化炭素の脱離に適した閾値温度と等しくなるように、第２熱量制御器を制御する。このため、吸着材からのガス回収量を増大させて、原料生成装置におけるガス回収量をより一層向上できる。

【0015】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、原料生成装置及び原料生成方法、燃料製造装置及び燃料製造方法、燃料製造システム、二酸化炭素循環システム、これら装置やシステムの制御のためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、およびコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態における原料生成装置を備える炭素循環システムの概略構成を示す図である。

【図2】再資源化処理の手順の一例を示すフローチャートである。

【図3】脱離工程の詳細な手順の一例を示すフローチャートである。

【図4】第２実施形態の炭素循環システムの概略構成を示す図である。

【図5】第３実施形態の炭素循環システムの概略構成を示す図である。

【図6】第４実施形態の炭素循環システムの概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態における原料生成装置３００を備える炭素循環システム１００の概略構成を示す図である。炭素循環システム１００は、工場１から排出された排出ガスから、二酸化炭素（ＣＯ₂）を分離して再資源化するシステムである。工場１は、燃料製造装置２００から供給された燃料を燃焼させて動力を得る燃焼装置を備え、燃焼装置の駆動により生じた排出ガスを燃料製造装置２００へと排出する。工場１からの排出ガスには、二酸化炭素のほか、酸素（Ｏ₂）、窒素（Ｎ₂）、及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）等が含まれている。

【0018】

炭素循環システム１００は、工場１と、燃料製造装置２００とを備えている。燃料製造装置２００は、原料生成装置３００を備えている。原料生成装置３００は、工場１から供給された排出ガスから二酸化炭素を分離し、二酸化炭素と水素（Ｈ₂）とを含む混合ガスを生成する。混合ガスは、燃料製造装置２００による反応の原料となる。燃料製造装置２００は、原料生成装置３００から供給された混合ガスを反応させて、炭素（Ｃ）と水素とを含む燃料を製造する。燃料は、工場１の燃焼装置において用いられる。以降、詳細に説明する。

【0019】

燃料製造装置２００は、原料生成装置３００と、反応器２と、第１熱供給部４１と、第２熱供給部４２と、第１熱量制御器４１ｃと、第２熱量制御器４２ｃと、制御部１０とを備えている。原料生成装置３００は、分離器３と、凝縮器４と、水素供給部５と、湿度制御器６と、真空ポンプ７とを備えている。

【0020】

分離器３は、二酸化炭素を吸着することが可能な吸着材３１を収容している。吸着材３１は、後述するパージガスの水蒸気圧の増大に伴って、もしくは、回収器（すなわち分離器３）内の温度で規定される相対湿度の増大に伴って、吸着材からの二酸化炭素の回収量が増大する吸着材（例えば、アミン系固体吸着材）であることが好ましい。本実施形態では、吸着材３１として、アミン系固体吸着材を使用する。アミン系固体吸着材は、アミン系化合物が多孔体等に担持された吸着剤である。アミン系固体吸着材は、図１の点線吹き出し内のグラフに示すように、パージガスの水蒸気圧の増大に伴って、吸着材からの二酸化炭素の回収量が増大する。なお、吹き出し内のグラフは、吸着工程及び脱離工程のそれぞれで用いるガスの流量、及び吸着工程での水蒸気圧、及び二酸化炭素濃度を同一条件とし、脱離工程でのパージガスの水蒸気圧のみを変化させて得た実験結果である。吹き出し内のグラフは、同条件の回収器内温度で実施した実験結果であり、横軸は回収器内の温度で規定される相対湿度と換言できる。ここで、相対湿度Ｈ_rは、回収器内の温度Ｔ_sにおける飽和水蒸気圧Ｐ_sと、パージガス水蒸気圧Ｐ_pとを用いて「Ｈ_r＝Ｐ_p／Ｐ_s」と表すことができる。吹き出し内のグラフでは、温度Ｔ_sを一定としているため飽和水蒸気圧Ｐ_sは変化しない。この結果、相対湿度Ｈ_rを表す式において、パージガス水蒸気圧Ｐ_pが増大すれば相対湿度Ｈ_rが増大する、という関係が成立する。なお、吸着材３１としては、パージガスの水蒸気圧の増大もしくは回収器内の温度で規定される相対湿度の増大に伴って二酸化炭素の回収量が増大するという性質を有さない他の吸着剤（例えば、ゼオライト等）が用いられてもよい。分離器３の内部には、分離器３の内部の温度Ｔ_sを取得する温度センサ３ｓが設けられている。温度センサ３ｓは「温度取得部」として機能する。

【0021】

分離器３は、排出ガス流路１１を介して工場１と接続されている。排出ガス流路１１は、工場１からの排出ガスが流通する流路である。分離器３は、パージガス流路２１を介して水素供給部５と接続されている。パージガス流路２１は、水素供給部５からのパージガスが流通する流路である。分離器３は、流路１２を介して外部と接続されている。流路１２は、排出ガスから二酸化炭素を分離した後の残ガスを外部に排出するための流路である。分離器３は、混合ガス流路２２を介して、燃料製造装置２００の反応器２と接続されている。混合ガス流路２２は、原料生成装置３００からの混合ガス（原料）が流通する流路である。

【0022】

凝縮器４は、排出ガス流路１１の途中に配置されている。凝縮器４は、排出ガス中の水蒸気を除去する。具体的には、排出ガス流路１１を流通する排出ガスに含まれる水蒸気を液体の水に凝縮し、凝縮した水を原料生成装置３００の外部へと排出する。これにより、凝縮器４を通過して排出ガス流路１１を流れる排出ガスからは、水蒸気が除去された状態となる。排出ガス流路１１には、図示しない流路開閉機構（例えば、バルブや、マスフローコントローラ）が設けられている。排出ガス流路１１の流路開閉機構によって、排出ガスの流通有無、及び、排出ガスの流量が制御される。

【0023】

水素供給部５は、パージガスを分離器３に供給することにより、吸着材３１に吸着された二酸化炭素の脱離を促す。具体的には、水素供給部５は、水の電気分解を行うことによって水素を生じさせると共に、水蒸気が生じる。水素供給部５は、発生させた水素及び水蒸気を、パージガスとしてパージガス流路２１を介して排出する。パージガス流路２１には、図示しない流路開閉機構（例えば、バルブや、マスフローコントローラ）が設けられている。パージガス流路２１の流路開閉機構によって、パージガスの流通有無、及び、パージガスの流量が制御される。なお、本実施形態の水素供給部５で生じる水蒸気量は、電気分解される水の温度による。水素供給部５により電気分解される水は、所定温度（例えば、摂氏７０度（℃）前後）に冷却されていてもよく、常温でもよく、加熱されていてもよい。

【0024】

湿度制御器６は、パージガス流路２１の途中に配置されている。湿度制御器６は、水素供給部５から分離器３へと供給されるパージガスの水蒸気圧を調整する。具体的には、湿度制御器６は、バブラー式や加熱気化式などの方法を用いて水から水蒸気を発生させ、発生させた水蒸気をパージガスに加えることによって、パージガスの水蒸気圧を調整（換言すれば、パージガスを加湿）する。湿度制御器６には、後述する第１熱供給部４１を介して、反応器２での反応によって生じた熱が供給される。このため湿度制御器６は、第１熱供給部４１を介して供給された熱を利用して水の気化を行うことができる。なお、湿度制御器６よりも下流側におけるパージガス流路２１の内部には、湿度制御器６による調整後のパージガスの湿度Ｔ_dを取得する湿度センサ２１ｓが設けられている。さらに回収器内が減圧されることにより、吸着材３１からの二酸化炭素の脱離を促す効果も得らえる。

【0025】

真空ポンプ７は、混合ガス流路２２の途中であって、分離器３よりも下流側に配置されている。真空ポンプ７が動作することによって分離器３内が減圧され、吸着材３１からの二酸化炭素の脱離が促進される。また、真空ポンプ７が動作することによって、分離器３内における水素の割合が小さくなる。水素の割合が小さくなることにより、相対的に、分離器３内における二酸化炭素の割合を大きくできる。このようにして、二酸化炭素と水素との割合を１：４に近づけることにより、混合ガス中の二酸化炭素と水素の分圧の比率を後処理（すなわち、反応器２でのメタン化反応）に適した割合に調整できる。混合ガス流路２２において、真空ポンプ７の上流側及び下流側には、それぞれ、図示しない流路開閉機構（例えば、バルブや、マスフローコントローラ）が設けられている。

【0026】

反応器２は、原料生成装置３００により生成された混合ガス（二酸化炭素と水素とを含むガス）を反応させて、炭素と水素とを含む燃料を製造する。具体的には、反応器２では、混合ガスを原料として、下記の式（１）で表されるメタン化反応が生じることにより、二酸化炭素及び水素から、炭素と水素とを含む燃料（具体的にはメタンＣＨ₄）が製造される。なお、式（１）のメタン化反応は、発熱反応である。
ＣＯ₂＋４Ｈ₂→ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ ・・・（１）

【0027】

第１熱供給部４１は、反応器２と湿度制御器６とを接続している。第１熱供給部４１は、反応器２によるメタン化反応で生じた熱を、湿度制御器６へと供給する。第２熱供給部４２は、反応器２と分離器３とを接続している。第２熱供給部４２は、反応器２によるメタン化反応で生じた熱を、分離器３へと供給する。第１熱供給部４１及び第２熱供給部４２は、それぞれ、熱を輸送する熱媒体と、熱媒体を流通させる熱媒体流路によって構成されている。

【0028】

第１熱量制御器４１ｃは、第１熱供給部４１の途中であって、熱媒体流路上において湿度制御器６よりも上流側に設けられている。第１熱量制御器４１ｃは、第１熱供給部４１を介して湿度制御器６に供給される熱量を調整する。第２熱量制御器４２ｃは、第２熱供給部４２の途中であって、熱媒体流路上において分離器３よりも上流側に設けられている。第２熱量制御器４２ｃは、第２熱供給部４２を介して分離器３に供給される熱量を調整する。第１熱量制御器４１ｃ及び第２熱量制御器４２ｃは、熱交換器を用いて、熱媒体の温度を上昇または下降させることにより熱量を調整できる。第１熱量制御器４１ｃ及び第２熱量制御器４２ｃは、マスフローコントローラを用いて、熱媒体の流量を増加または減少させることにより、熱量を調整してもよい。

【0029】

制御部１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ／ＲＡＭ、記憶部、及び通信部を含んでおり、燃料製造装置２００による再資源化処理の全体を制御する。本実施形態の制御部１０は、再資源化処理において、分離器３内の温度Ｔ_sが、パージガスの露点温度よりも高い状態が維持されるように、第１熱量制御器４１ｃを制御する。また、制御部１０は、再資源化処理において、分離器３内の温度Ｔ_sが、吸着材３１からの二酸化炭素の脱離に適した閾値温度と等しくなるように、第２熱量制御器４２ｃを制御する。詳細は後述する。

【0030】

図２は、再資源化処理の手順の一例を示すフローチャートである。再資源化処理は、任意の契機（例えば、燃料製造装置２００の始動）により開始され得る。ステップＳ１０では、工場１より排出ガスが発生する。排出ガスは、排出ガス流路１１を介して凝縮器４へと流入する。

【0031】

ステップＳ２０では、凝縮器４によって、排出ガス中の水蒸気が除去される。その後、排出ガスは、排出ガス流路１１を介して分離器３へと供給される。ステップＳ２２では、排出ガス中の二酸化炭素が、分離器３内の吸着材３１に吸着される。排出ガスに含まれる気体のうち、吸着材３１に吸着されなかった窒素と、凝縮器４により排出されなかった水蒸気とは、流路１２を介して、分離器３の外部へと排出される。なお、ステップＳ２０とＳ２２とを総称して「吸着工程」とも呼ぶ。本実施形態では、燃料製造装置２００が１つの分離器３を備える場合を例示したが、燃料製造装置２００は、複数の分離器３を備えていてもよい。例えば、燃料製造装置２００が２つの分離器３を備える場合、一方の分離器３では吸着工程が実行され、他方の分離器３では脱離工程が実行されるというように、実行する工程をシフトさせる。ステップＳ２０，Ｓ２２では、分離器３が１つの場合、及び、分離器３が複数の場合共に、吸着工程中の分離器へは、水素供給部５からのパージガスの供給は停止されている。

【0032】

ステップＳ３０では、水素供給部５によって、水の電気分解がなされ、水素及び水蒸気を含むパージガスが生成される。生成されたパージガスは、パージガス流路２１を介して湿度制御器６へと供給される。ステップＳ３２では、湿度制御器６によってパージガスの調湿がなされる（詳細は後述）。調湿後のパージガスは、パージガス流路２１を介して分離器３へと供給される。ステップＳ３４では、分離器３の吸着材３１から二酸化炭素の脱離が行われる。パージガス中の水蒸気は、吸着材３１に吸着されることによって、既に吸着材３１に吸着されている二酸化炭素の脱離を促す。この結果、分離器３からは、吸着材３１から脱離した二酸化炭素と、パージガス中の水素とを含む混合ガス（原料）が排出される。なお、ステップＳ３０～Ｓ３４を総称して「脱離工程」とも呼ぶ。ステップＳ３０～Ｓ３４では、分離器３が１つの場合、及び、分離器３が複数の場合共に、脱離工程中の分離器へは、工場１からの排出ガスの供給は停止されている。

【0033】

ステップＳ４０では、上記のようにして得られた原料ガスが、分離器３から反応器２へと供給される。ステップＳ４２では、反応器２において、上記の式（１）で示すメタン化反応が起こり、炭素と水素とを含む燃料が製造される。ステップＳ４４では、反応器２において製造されたメタンが工場１へと供給される。ステップＳ４６では、処理の終了条件が成立したか否かが判定される。処理の終了条件には任意の契機（例えば、燃料製造装置２００の電源停止）が採用できる。処理の終了条件が成立した場合（ステップＳ４６：ＹＥＳ）、制御部１０は再資源化処理を終了させる。処理の終了条件が成立しない場合（ステップＳ４６：ＮＯ）、制御部１０は処理をステップＳ１０に遷移させ、上述のステップを繰り返す。これにより、工場１から排出された排出ガスから燃料を得て工場１へと供給する再資源化処理を継続して実行できる。

【0034】

図３は、脱離工程の詳細な手順の一例を示すフローチャートである。図３は、図２の脱離工程（ステップＳ３０～Ｓ３４）に対応している。まず、ステップＳ１００において水素供給部５は、水の電気分解によってパージガスを生成し、生成したパージガスを、パージガス流路２１を介して供給する。詳細は図２のステップＳ３０で説明した通りである。

【0035】

ステップＳ１１０において制御部１０は、分離器３内の温度Ｔ_sが、閾値温度Ｔ_s,oよりも低いか否かを判定する。ここで、分離器３内の温度Ｔ_sには、温度センサ３ｓにより取得された値を用いる。また、閾値温度Ｔ_s,oは、吸着材３１からの二酸化炭素の脱離に適した（または最適な）温度を意味する。閾値温度Ｔ_s,oは、吸着材３１の種類によって異なり、予め制御部１０内に記憶されている。本実施形態の吸着材３１（アミン系固体吸着材）の場合、閾値温度Ｔ_s,oは、用いるアミン化合物の沸点以下に設定されることが好ましい。分離器３内の温度Ｔ_sが閾値温度Ｔ_s,o以上となった場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部１０は処理をステップＳ１２０に遷移させる。

【0036】

一方、分離器３内の温度Ｔ_sが閾値温度Ｔ_s,oよりも低い場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部１０は処理をステップＳ１１２に遷移させる。ステップＳ１１２において制御部１０は、分離器３内の温度Ｔ_sが、閾値温度Ｔ_s,oと等しくなるように（Ｔ_s＝Ｔ_s,oを目標値として）第２熱量制御器４２ｃに出力の増大を指令する。第２熱量制御器４２ｃは、第２熱供給部４２を介して分離器３に供給される熱量を増大させる。この結果、ステップＳ１１４において分離器３の内部は、第２熱供給部４２を介して供給された熱量により昇温する。

【0037】

ステップＳ１２０において制御部１０は、分離器３内の温度Ｔ_sから所定のマージンΔＴを減じた温度（Ｔ_s－ΔＴ）が、パージガスの露点温度Ｔ_dよりも高いか否かを判定する。ここで、パージガスの露点温度Ｔ_dには、湿度センサ２１ｓにより取得された値を用いる。マージンΔＴには任意の数値を利用でき、ΔＴは０でもよい。本実施形態の吸着材３１（アミン系固体吸着材）の場合、ΔＴは例えば、５～１０度程度とすることが好ましい。温度Ｔ_s－ΔＴが、パージガスの露点温度Ｔ_d以下である場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、制御部１０は処理をステップＳ１３０に遷移させる。

【0038】

温度Ｔ_s－ΔＴが、パージガスの露点温度Ｔ_dよりも高い場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、制御部１０は処理をステップＳ１２２に遷移させる。ステップＳ１２２において制御部１０は、分離器３内の温度Ｔ_sから所定のマージンΔＴを減じた温度（Ｔ_s－ΔＴ）が、パージガスの露点温度Ｔ_dと等しくなるように（Ｔ_d＝Ｔ_s－ΔＴを目標値として）第１熱量制御器４１ｃに出力の増大を指令する。第１熱量制御器４１ｃは、第１熱供給部４１を介して湿度制御器６に供給される熱量を増大させる。この結果、ステップＳ１２４において湿度制御器６は、パージガスに供給する水蒸気量を増大させる（換言すれば、パージガスを加湿する）ことにより、パージガスの露点温度が増大する。

【0039】

なお、ステップＳ１２０，Ｓ１２２では、分離器３内の温度Ｔ_sではなく、分離器３内の温度Ｔ_sから所定のマージンΔＴを減じた温度（Ｔ_s－ΔＴ）を、パージガスの露点温度Ｔ_dと比較している。これは、パージガスの加湿による分離器３への影響にはタイムラグがあることに起因する。例えば、ステップＳ１２０，Ｓ１２２において分離器３内の温度Ｔ_sをパージガスの露点温度Ｔ_dと比較して処理をした場合、分離器３内に意図しない水蒸気の凝縮が生じる場合がある。マージンΔＴを利用することにより、このような意図しない水蒸気の凝縮を抑制しつつ、分離器３内の温度Ｔ_sが、パージガスの露点温度Ｔ_dよりも高い状態を維持できる。また、マージンΔＴは、分離器３内の吸着材３１に温度ムラが生じた場合の、温度ムラに対する安全性を向上させるためにも用いられ得る。

【0040】

ステップＳ１３０において制御部１０は、脱離工程を終了するか否かを判定する。脱離工程を終了する場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）制御部１０は、図３に示す処理を終了させる。脱離工程を終了しない場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）制御部１０は、処理をステップＳ１１０に遷移させ、上述の処理を繰り返す。

【0041】

なお、図３のステップＳ１１０～Ｓ１１４の処理と、ステップＳ１２０～Ｓ１２４の処理とは、並列に実行されてもよく、実行順序を逆転させてもよい。また、ステップＳ１１２の第２熱量制御器４２ｃによる制御方法と、ステップＳ１２２の第１熱量制御器４１ｃによる制御方法とには、任意の制御が利用できる。例えば、温度の検出値と目標値との差分に比例して熱量を調節する比例制御（Ｐ制御）や、積分制御と微分制御とを組み合わせたＰＩ制御またはＰＩＤ制御等の、連続的な制御が採用されることが好ましい。

【0042】

このようにすれば、分離器３に供給するガスの水蒸気圧を、脱離工程（図２：ステップＳ３０～Ｓ３４、図３）と、吸着工程（図２：ステップＳ２０，Ｓ２２）とで比較した場合、吸着工程をより低くできる（吸着工程＜脱離工程）。このため、脱離工程の際に吸着材３１に吸着された水を、次の吸着工程で吸着材３１から脱離させて、外部へと排出できる。すなわち、吸着工程と乾燥工程とを同時に実行できる。

【0043】

以上のように、第１実施形態の原料生成装置３００は、水素供給部５と分離器３とを繋ぐパージガス流路２１に、分離器３へと供給されるパージガスの水蒸気圧を調整する湿度制御器６を備える。このため、例えば、分離器３よりも下流側に真空ポンプ７を設ける場合のように、原料生成装置３００の内外において分離器３内のパージガス中の水蒸気の分圧が減圧される要因がある場合であっても、湿度制御器６によって分離器３へと供給されるパージガスの水蒸気圧を調整することで、分離器３内のパージガス中の水蒸気の分圧が減圧されることを抑制できる。この結果、分離器３内に収容された吸着材３１からのガス回収量（二酸化炭素の回収量）の低下を抑制すると共に、原料生成装置３００におけるガス回収量を向上できる。

【0044】

また、第１実施形態の原料生成装置３００では、吸着材３１は、パージガスの水蒸気圧の増大もしくは回収器内の温度で規定される相対湿度の増大に伴って、吸着材３１からの二酸化炭素の回収量が増大する吸着材である。このため、湿度制御器６によって分離器３へと供給されるパージガスの水蒸気圧を増加させる方向へと調整することで、吸着材３１からのガス回収量を増大させて、原料生成装置３００におけるガス回収量をより一層向上できる。

【0045】

さらに、第１実施形態の原料生成装置３００では、分離器３からの混合ガスの排出流路（混合ガス流路２２）上に真空ポンプ７を備えるため、真空ポンプ７を動作させることによって、混合ガス中の二酸化炭素と水素の分圧の比率を後処理（すなわち、反応器２による反応）に適した割合に調整できる。また、第１実施形態の原料生成装置３００によれば、分離器３へと供給されるパージガスの水蒸気圧は、湿度制御器６によって調整されるため、分離器３からの混合ガスの排出流路上に真空ポンプ７を設けた場合であっても、分離器３内のパージガス中の水蒸気の分圧が減圧されることを抑制できる。

【0046】

さらに、第１実施形態の燃料製造装置２００は、反応器２と湿度制御器６とに接続されて、反応器２での反応によって生じた熱を湿度制御器６へと供給する第１熱供給部４１を備える。このため、湿度制御器６では、第１熱供給部４１を介して供給された熱（すなわち、反応器２によって生じた熱）を利用して、加湿のための水蒸気を生成することができる。従って、第１実施形態の燃料製造装置２００によれば、湿度制御器６が外部エネルギを利用して水蒸気の生成を行う場合と比較して、燃料製造装置２００のエネルギ効率の低下を抑制できる。

【0047】

さらに、第１実施形態の燃料製造装置２００は第１熱量制御器４１ｃを備えるため、第１熱供給部４１を介して湿度制御器６に供給される熱量を調整できる。

【0048】

分離器３内の温度がパージガスの露点温度を下回った場合、分離器３の内部において水蒸気の凝縮が発生し、水が生成される。具体的には、分離器３の内壁や吸着材３１の表面がパージガスの露点温度を下回った場合に、分離器３の内壁や吸着材３１の表面において水蒸気の凝縮が発生する。このように分離器３内で凝縮水が生成された場合、次の吸着工程において、吸着材３１への二酸化炭素の吸着が阻害されるという問題が生じる。また、アミン系固体吸着剤のような水溶性の吸着材３１では、分離器３内で生成された凝縮水にアミン系化合物が溶解することで、吸着材３１が漏出し、減少するという問題が生じる。この点、第１実施形態の燃料製造装置２００によれば、制御部１０は、分離器３内の温度Ｔ_sが、パージガスの露点温度Ｔ_dよりも高い状態が維持されるように、第１熱量制御器４１ｃを制御するため、これらの問題が生じることを回避できる。

【0049】

さらに、第１実施形態の燃料製造装置２００によれば、制御部１０は、分離器３内の温度Ｔ_sが、吸着材３１からの二酸化炭素の脱離に適した閾値温度Ｔ_s,oと等しくなるように、第２熱量制御器４２ｃを制御する。このため、吸着材３１からのガス回収量を増大させて、原料生成装置３００におけるガス回収量をより一層向上できる。

【0050】

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態の炭素循環システム１００Ａの概略構成を示す図である。第２実施形態の炭素循環システム１００Ａは、第１実施形態で説明した構成において、燃料製造装置２００に代えて燃料製造装置２００Ａを備えている。燃料製造装置２００Ａは、第１実施形態で説明した構成において、第１熱供給部４１及び第２熱供給部４２に代えて第１熱供給部４１Ａを備え、第１熱量制御器４１ｃに代えて第１熱量制御器４１ｃＡを備え、第２熱量制御器４２ｃに代えて第２熱量制御器４２ｃＡを備え、制御部１０に代えて制御部１０Ａを備える。

【0051】

第１熱供給部４１Ａは、反応器２と分離器３と湿度制御器６とを接続している。第１熱供給部４１Ａは、反応器２によるメタン化反応で生じた熱を、まず分離器３へと供給し、その後湿度制御器６へと供給する。第１熱量制御器４１ｃＡは、第１熱供給部４１Ａの途中であって、熱媒体流路上において分離器３よりも下流側、かつ、湿度制御器６よりも上流側に設けられている。第１熱量制御器４１ｃＡは、第１熱供給部４１Ａを介して湿度制御器６に供給される熱量を調整する。第２熱量制御器４２ｃＡは、第１熱供給部４１Ａの途中であって、熱媒体流路上において分離器３よりも上流側に設けられている。第２熱量制御器４２ｃＡは、第１熱供給部４１Ａを介して分離器３に供給される熱量を調整する。具体的な熱量の調整方法は、第１実施形態と同様である。

【0052】

制御部１０Ａは、図３のステップＳ１１２において、第２熱量制御器４２ｃＡに出力の増大を指令する。また、制御部１０Ａは、図３のステップＳ１２２において、第１熱量制御器４１ｃＡに出力の増大を指令する。他の点は、第１実施形態と同様である。

【0053】

このように、炭素循環システム１００Ａの構成は種々の変更が可能であり、燃料製造装置２００Ａは、反応器２と分離器３と湿度制御器６とを直列に繋ぐ第１熱供給部４１Ａを有していてもよい。以上のような第２実施形態においても、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第２実施形態の炭素循環システム１００Ａによれば、燃料製造装置２００Ａ内部の構成を簡略化できる。

【0054】

＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態の炭素循環システム１００Ｂの概略構成を示す図である。第３実施形態の炭素循環システム１００Ｂは、第１実施形態で説明した構成において、燃料製造装置２００に代えて燃料製造装置２００Ｂを備えている。燃料製造装置２００Ｂは、第１実施形態で説明した構成において、制御部１０を備えていない。

【0055】

燃料製造装置２００Ｂでは、図３で説明した分離器３内の温度Ｔ_s、パージガスの露点温度Ｔ_d、及び閾値温度Ｔ_s,oを用いた第１熱量制御器４１ｃ及び第２熱量制御器４２ｃの制御が行われない。

【0056】

このように、炭素循環システム１００Ｂの構成は種々の変更が可能であり、燃料製造装置２００Ｂから制御部１０を省略してもよい。以上のような第３実施形態においても、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第３実施形態の炭素循環システム１００Ｂによれば、燃料製造装置２００Ｂ内部の構成を簡略化できる。

【0057】

＜第４実施形態＞
図６は、第４実施形態の炭素循環システム１００Ｃの概略構成を示す図である。第４実施形態の炭素循環システム１００Ｃは、原料生成装置３００Ｃから構成されており、第１実施形態で説明した反応器２、第１熱供給部４１、第２熱供給部４２、第１熱量制御器４１ｃ、第２熱量制御器４２ｃ、及び制御部１０を備えていない。また、原料生成装置３００Ｃは、真空ポンプ７を備えていない。

【0058】

このように、炭素循環システム１００Ｃの構成は種々の変更が可能であり、工場１と原料生成装置３００Ｃからシステムが構成されてもよい。原料生成装置３００Ｃは、水素供給部５と分離器３とを繋ぐパージガス流路２１に湿度制御器６を備えるため、分離器３内に収容された吸着材３１からのガス回収量（二酸化炭素の回収量）の低下を抑制すると共に、原料生成装置３００Ｃにおけるガス回収量を向上できる。すなわち、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

【0059】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。

【0060】

［変形例１］
上記実施形態では、炭素循環システム１００，１００Ａ～１００Ｃの構成の一例を示した。しかし、炭素循環システム１００の構成は種々の変形が可能である。例えば、原料生成装置３００では、上述した構成の一部（例えば、凝縮器４や、真空ポンプ７）が省略されてもよい。例えば、原料生成装置３００，３００Ｃの湿度制御器６には、バブラー式や加熱気化式などの方法に代えて、外部エネルギを利用して水蒸気を発生させる方式（例えば、超音波霧化）が採用されてもよい。例えば、燃料製造装置２００，２００Ａ，２００Ｂの第１熱供給部４１と、第２熱供給部４２とのうちの少なくとも一方は、熱を伝達する熱電導体によって構成されてもよい。この場合、第１熱量制御器４１ｃ及び／又は第２熱量制御器４２ｃには、熱電導体の熱電性能を上昇または下降させる材質の部材（例えば、カーボン、樹脂、金属等）を用いることができる。

【0061】

［変形例２］
上記実施形態（図２，図３）では、炭素循環システム１００，１００Ａ～１００Ｃにおいて実行される処理の一例を示した。しかし、この処理手順は種々の変更が可能であり、各ステップにおける処理内容の追加／省略／変更をしてもよく、ステップの実行順序を変更してもよい。

【0062】

例えば、図３において制御部１０は、分離器３内の温度Ｔ_sを用いた処理に代えて、または、分離器３内の温度Ｔ_sを用いた処理と共に、分離器３内に凝縮水が生じたか否かに応じた処理を行ってもよい。具体的には、制御部１０は、分離器３内に凝縮水が生じた場合に、第２熱量制御器４２ｃに出力の増大を指令し、分離器３の温度を上昇させる。または、制御部１０は、分離器３内に凝縮水が生じた場合に、第１熱量制御器４１ｃに出力の減少を指令し、パージガスに供給する水蒸気量を減少させる。分離器３内の凝縮水の有無は、分離器３内に凝縮水の発生を検出するセンサを設け、当該センサの検出値を用いればよい。このようにすれば、吸着材３１としてアミン系固体吸着剤のような水溶性の吸着材を用いた場合に、凝縮水にアミン系化合物が溶解することで、吸着材３１が漏出し、減少することを抑制できる。

【0063】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【0064】

本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
［適用例１］
原料生成装置であって、
二酸化炭素を吸着する吸着材を収容する分離器と、
水の電気分解により生じた水素と水蒸気とをパージガスとして前記分離器に供給することにより、前記吸着材に吸着された二酸化炭素の脱離を促す水素供給部と、
前記水素供給部と前記分離器とを繋ぐパージガス流路に設けられ、前記分離器へと供給される前記パージガスの水蒸気圧を調整する湿度制御器と、
を備える、原料生成装置。
［適用例２］
適用例１に記載の原料生成装置であって、
前記吸着材は、前記パージガスの水蒸気圧の増大もしくは回収器内の温度で規定される相対湿度の増大に伴って、前記吸着材からの二酸化炭素の回収量が増大する吸着材である、原料生成装置。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の原料生成装置であって、さらに、
前記分離器から排出される混合ガスであって、前記吸着材から脱離した二酸化炭素と、前記パージガス中の水素とを含む混合ガスの排出流路上に、真空ポンプを備える、原料生成装置。
［適用例４］
燃料製造装置であって、
適用例１から適用例３のいずれか一項に記載の原料生成装置と、
前記原料生成装置により生成された二酸化炭素と水素とを含む混合ガスを反応させて、炭素と水素とを含む燃料を製造する反応器と、
前記反応器と前記湿度制御器とに接続されて、前記反応器での前記反応によって生じた熱を前記湿度制御器へと供給する第１熱供給部と、
を備える、燃料製造装置。
［適用例５］
適用例４に記載の燃料製造装置であって、さらに、
前記第１熱供給部を介して前記湿度制御器に供給される熱量を調整する第１熱量制御器を備える、燃料製造装置。
［適用例６］
適用例４または適用例５に記載の燃料製造装置であって、さらに、
前記分離器内の温度を取得する温度取得部と、
前記分離器内の温度が、前記パージガスの露点温度よりも高い状態が維持されるように、前記第１熱量制御器を制御する制御部を備える、燃料製造装置。
［適用例７］
適用例４から適用例６のいずれか一項に記載の燃料製造装置であって、さらに、
前記反応器と前記分離器とに接続されて、前記反応器での前記反応によって生じた熱を前記分離器へと供給する第２熱供給部と、
前記第２熱供給部を介して前記分離器に供給される熱量を調整する第２熱量制御器と、
前記分離器内の温度が、前記吸着材からの二酸化炭素の脱離に適した閾値温度と等しくなるように、前記第２熱量制御器を制御する制御部と、
を備える、燃料製造装置。

【符号の説明】

【0065】

１…工場
２…反応器
３…分離器
３ｓ…温度センサ
４…凝縮器
５…水素供給部
６…湿度制御器
７…真空ポンプ
１０，１０Ａ…制御部
１１…排出ガス流路
１２…流路
２１…パージガス流路
２１ｓ…湿度センサ
２２…混合ガス流路
３１…吸着材
４１，４１Ａ…第１熱供給部
４１ｃ，４１ｃＡ…第１熱量制御器
４２…第２熱供給部
４２ｃ，４２ｃＡ…第２熱量制御器
１００，１００Ａ～１００Ｃ…炭素循環システム
２００，２００Ａ，２００Ｂ…燃料製造装置
３００，３００Ｃ…原料生成装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】