JP2002239373A

JP2002239373A - 二酸化炭素固定方法及びその装置、並びに二酸化炭素固定ユニット及びシステム

Info

Publication number: JP2002239373A
Application number: JP2001044988A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Seike; 聡清家; Hoki Haba; 方紀羽場
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】二酸化炭素を効率的かつ低廉に分離する。【解決手段】正極11と負極12とを設けた固体電解質10
の正極11に、イオン供給源物質を接触させ、かつ、固定
電解質10の負極12に、二酸化炭素及び酸素を含有したガ
スを接触すると共に、正負極11,12間に電圧を印加する
ことにより、負極12側にガス中の二酸化炭素を炭酸塩と
して分離固定する。尚、固体電解質10がナトリウムイオ
ン導電体である場合、前記イオン供給源物質はナトリウ
ム化合物とし、または固体電解質10がリチウムイオン導
電体である場合、前記イオン供給源物質はリチウム化合
物としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素を固定
する方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】1998年12月、京都市で、2000年以降にお
ける地球温暖化防止のための新たな国際的枠組みを決定
する気候変動枠条約第3回締約国会議（地球温暖化防止
会議、COP3）が開催された。京都会議では、先進国全体
の温室効果ガスを2008〜2012年において1990年比5％強
削減する数値目標などを含む「京都議定書」が採択さ
れ、この中で我が国についての数値目標は1990年比6％
削減とされている。

【０００３】温室効果ガスの人為的排出の多くを占める
のが、エネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素
（CO₂）である。我が国は、石油危機以降積極的な省エ
ネルギー努力を行った結果、産業部門のエネルギー利用
効率は世界最高水準にあり、GDP当りの一次エネルギー
消費も米国の約3分の1、ドイツの約2分の1と他の先進国
と比較して低い水準にある。

【０００４】しかし、近年の運輸、民生部門を中心とし
たエネルギー消費の著しい伸びに伴い、エネルギー起因
の二酸化炭素排出量は1995年度には1990比8％強の大幅
な増加となっている。このことから、京都議定書の目標
の達成に向けては、直ちに最大限の対策に着手していく
必要がある。

【０００５】京都議定書において、温室効果ガスは二酸
化炭素（CO₂）、メタンガス（CH₄）、亜酸化窒素（N
₂O）、ハイドロフルオロカーボン（HFC)、パーフルオロ
カーボン（PFC）、六フッ化硫黄（SF₆）の6種類とされ
ているが、我が国における温室効果ガスの排出量は1995
年度において1990年度比8.6％増加している。このう
ち、全体の9割近くを占めるとともに、経済社会活動全
体と密接な関わりを持つののがエネルギーの燃焼に伴っ
て発生する二酸化炭素である。

【０００６】我が国におけるこれらのエネルギー起因の
二酸化炭素排出量は1980年代後半から急激な増加傾向に
あり、特に近年は運輸、民生部門の伸びが著しく、1995
年度には1990年度比8.1％の大幅な増加となっている。
したがって、我が国で今後国内の温室効果ガス対策を考
える際の中心的課題となるのが、運輸、民生部門での対
策強化をはじめとしたエネルギー起因の二酸化炭素削減
対策である。

【０００７】尚、二酸化炭素については、正確な量の把
握は難しいものの森林等の働きによって吸収されるとい
われており、また二酸化炭素固定技術に関する研究開発
も進められている。さらに、代替フロン類（HFC，PFC及
びSF₆）については半導体洗浄や製品の中の冷媒として
使われ、市中に残存しているものを回収し、分解するた
めの技術開発等が進められている。

【０００８】このように、温室効果ガス対策の全体にお
いて、ガスの排出削減対策を進める一方で、森林・農地
の保全・整備や代替フロン類の回収に係るシステム創り
など、ガスの吸収・固定や回収・分離等に係る各種の対
策を進めることも極めて重要である。

【０００９】排ガスのCO₂排出濃度としては、排ガス中
でディーゼルエンジンが約10％、ボイラーで約13％、下
水処理場、食品工場の消化ガスで約40％である。

【００１０】現在の二酸化炭素の分離技術として、水酸
化ナトリウムや水などを用いて分離回収する吸収法、ゼ
オライト等の固体状の吸着剤を用いて分離回収する吸着
法、二酸化炭素のみを通す膜を用いて二酸化炭素と他の
排ガスとを「ふるい分け」する膜分離法等がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
吸収法及び吸着法は大掛かりな装置が必要であり、また
前記膜分離法は、分離膜が高価であることからイニシャ
ルコストが高く、分離後の処理やメンテナンス、膜交換
等のランニングコストも高く、さらに二酸化炭素の除去
率が低いという問題がある。

【００１２】そこで、本発明は、上記の事情に鑑み、二
酸化炭素を低廉かつ効率的に分離することを可能とした
二酸化炭素固定方法及びその装置、並びにそのユニット
及びシステムを提供することを課題としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、前記課題の解決
手段として、第１発明は、正極と負極とを設けた固体電
解質の正極に、イオン供給源物質を接触させ、かつ、固
体電解質の負極に、二酸化炭素及び酸素を含有したガス
を接触すると共に、正負極間に電圧を印加することによ
り、負極側にガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離固
定する二酸化炭素固定方法であって、固体電解質がナト
リウムイオン導電体である場合、前記イオン供給源物質
はナトリウム化合物であること、または固体電解質がリ
チウムイオン導電体である場合、前記イオン供給源物質
はリチウム化合物であること、を特徴としている。

【００１４】電極は、多孔質で、一般的に用いられてい
る導電性材料、Pt、Au、Cr、Cu及びNi若しくはこれらの
酸化物等を基本材料としている。

【００１５】前記ナトリウムイオン導電体には、β−ア
ルミナ（Na₂O・11Al₂O₃）やNASICON（Na_1+XZr₂P_3-XSi_XO
₁₂，Xは実数，0＜X＜3）等がある。

【００１６】前記ナトリウム化合物には、水酸化ナトリ
ウム（NaOH）等がある。このとき、負極において、前記
ガス中の二酸化炭素は、炭酸ナトリウム（Na₂CO₃）の形
態で固定される。

【００１７】前記リチウムイオン導電体には、LISICON
（xLi₄GeO₄（1−x）Zn₂GeO₄，x＝3/4）、ｘLi₄GeO₄（1
−ｘ）Li₁₄VO₄（Xは実数，0＜X＜1）、LiN（Li₃N）やLi
₁₄Zn（GeO₄）₄等がある。

【００１８】前記リチウム化合物には、水酸化リチウム
（LiOH）等がある。このとき、負極12において、前記ガ
ス中の二酸化炭素は、炭酸ナトリウム（Li₂CO₃）の形態
で固定される。

【００１９】電圧を印加するするための電源は、一般の
定電位電源（ポテンションスタット等）を用いることが
できるが、充放電できるものが望ましい。また、二酸化
炭素放出時に電位を逆転させる操作で対応できるもの
は、なおよい。

【００２０】二酸化炭素固定時に印加する電圧は、−
０．５〜３V程度である。また、二酸化炭素放出時の電
圧（放電電圧）は、＋０．５〜３V程度である。印加及
び放電電圧は、前記の値に限定されない。

【００２１】第２発明の二酸化炭素固定方法は、前記電
圧を印加するための電源を二酸化炭素固定時と逆相に接
続すると共に、前記炭酸塩をその融点以上の温度に昇温
することにより、前記負極側に固定した二酸化炭素を取
出すことを特徴としている。すなわち、前記電源の正極
を負極に、同電源の負極を正極に接続し、放電現象を起
こさせ、分離した二酸化炭素を取出している。尚、両極
間に、外部負荷を接続してもよい。また、融点以上の温
度としては、６８０〜８５０℃若しくはそれ以上の温度
であればよい。

【００２２】第３発明は、イオン供給源物質が供給され
る正極と二酸化炭素及び酸素を含有したガスが供給され
る負極とを設けた固体電解質と、前記正負極間に電圧を
印加するための前記正負極間に電圧を印加して前記負極
において気相中の二酸化炭素を炭酸塩として分離固定さ
せる電源とを具備した二酸化炭素固定装置であって、前
記固体電解質がナトリウムイオン導電体である場合、前
記イオン供給源物質はナトリウム化合物であること、ま
たは前記固体電解質がリチウムイオン導電体である場
合、前記イオン供給源物質をリチウム化合物であること
を特徴としている。

【００２３】第４発明は、前記固体電解質が、器状に形
成され、その空洞面には正極電極が、その外壁面には負
極電極が、覆設され、さらに前記空洞部には前記イオン
供給源物質が充填されることを特徴とする二酸化炭素固
定装置である。

【００２４】前記固体電解質は、器状であれば、いかな
る形状のものでもよく、その断面形状も、例えば、円
形、楕円形、多種多角形の他、ガスの流通抵抗等を考慮
して流線形とするなど、使用状況等の各種条件を適宜考
慮される。

【００２５】第５発明は、二酸化炭素を含有したガスが
流通する配管（ダクトともいう）内に、第３または第４
発明の二酸化炭素固定装置を、垂下支持して、配置した
ことを特徴とする二酸化炭素固定ユニットである。

【００２６】第６発明は、前記配管内において、第３ま
たは第４発明の二酸化炭素固定装置の下端を通過するガ
スの流れを迂回させる障害手段を、配置したことを特徴
としている二酸化炭素固定ユニットである。

【００２７】前記障害手段は、二酸化炭素固定装置に効
率よくガスを接触させるための手段であり、二酸化炭素
固定装置の下端と配管内壁面との隙間を通過するガスの
流れを迂回させるための迂流板や、二酸化炭素固定装置
の下端と配管内壁面との間に介在させるための耐熱性繊
維魂がある。

【００２８】第７発明の二酸化炭素固定ユニットは、前
記二酸化炭素固定装置が、前記配管を貫通して支持され
ることを特徴としている。

【００２９】第８発明は、二酸化炭素及び酸素を含有し
たガスが供給される容器内に、第３または第４発明の二
酸化炭素固定装置が設置された二酸化炭素固定ユニット
であって、前記容器の開口部には、二酸化炭素及び酸素
を含有したガスを導入するための配管と、前記容器内の
ガスを排出するための配管とが、具備されることを特徴
としている。

【００３０】開口部に具備される配管としては、例え
ば、被処理ガスが導入される配管と処理ガスが排出され
る配管を同心円状に配置した、二重配管でもよい。

【００３１】第９発明は、第５から第８発明の二酸化炭
素固定ユニットにおいて、前記配管または容器には、第
１または２発明の二酸化炭素固定装置が複数設けられる
ことを特徴としている。当該二酸化炭素固定装置を複数
配列する際には、千鳥状または格子状の配置が望まし
い。

【００３２】第10発明は、第３から第９発明の二酸化炭
素固定ユニットにおいて、二酸化炭素固定ユニットから
の二酸化炭素を排出するための配管を設けると共に、前
記二酸化炭素固定ユニットを昇温する加熱手段を設けた
ことを特徴としている。かかる構成により、二酸化炭素
の除去効率が向上する。加熱手段には、設定温度可変
の、ヒーターやバーナー等がある。

【００３３】当該配管は、固定した二酸化炭素を分離除
去するために、系外移送するための配管であり、二酸化
炭素固定ユニットに直接接続されるか、または前記ユニ
ットの二次側経路に設置されたバルブ手段（例えば三方
弁）を介して接続される。二酸化炭素を放出する際に、
該バルブ手段の通気路は、系外移送側に設定されること
が望ましい。

【００３４】配管には、ファン、ブロワ等の吸引手段が
接続される。放電時における負極での二酸化炭素の遊離
は可逆反応であるから、ユニット内の二酸化炭素を強制
的に排出させることにより、分離させた二酸化炭素を効
率的に取出している。

【００３５】第11発明は、第10発明に係る二酸化炭素固
定ユニットが少なくとも２つ並列に設置された二酸化炭
素固定システムであって、各二酸化炭素固定ユニットに
は、一定時間毎交互に、二酸化炭素を含有したガスが供
給され、該ガスが供給される、一の二酸化炭素固定ユニ
ットにおいては、前記電源の負極を該ユニット内の二酸
化炭素固定装置の負極と、またその正極を同二酸化炭素
固定装置の正極と、導通することで、該ガス中の二酸化
炭素を炭酸塩として同二酸化炭素固定装置の負極に分離
固定すること、燃料ガスが供給されない、他の二酸化炭
素ユニットにおいては、同電源の負極を同二酸化炭素固
定装置の正極と、またその負極を同二酸化炭素固定装置
の負極と、導通することで、分離固定した二酸化炭素を
装置外に放出すること、を特徴とする。かかる構成によ
って、連続的な二酸化炭素の固定と取出しが可能とな
る。

【００３６】二酸化炭素固定ユニットは、バルブ手段
（例えば三方弁）を介して、各々並列に接続され、さら
に、同ユニットには、相を変換させることが可能な充放
電装置が付帯された電源が接続される。

【００３７】そして、例えば、二酸化炭素固定ユニット
二つを並列に接続した場合には、一方のユニットが二酸
化炭素の固定を、他方のユニットが二酸化炭素の放出
を、交互に行うことで、連続な二酸化炭素の除去を可能
としている。

【００３８】また、三つ並列された場合には、例えば、
固定、放出を各々１／２づつタイミングをずらせるな
ど、その数等に応じて、切換えのタイミングは適宜設定
できる。但し、三つ以上の二酸化炭素固定ユニットを設
置する場合には、切換えのタイミング等に応じて、適宜
に複数の電源を設ける必要がある。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００４０】図1は、本発明に係る二酸化炭素固定方法
の原理説明図である。

【００４１】図２は、当該二酸化炭素固定装置の概略構
成図である当該二酸化炭素固定は、図１において、イオ
ン供給源物質（ここでは、水酸化ナトリウム（以下、Na
OHとする））が導入された正極と前記被処理ガスが導入
された負極を備えた固体電解質の両極11,12間に電圧
（直流）を印加すること（充電）によって行われる。

【００４２】また、図２において、二酸化炭素固定装置
は、二次電池構造を成し、正極21と負極22を備えた固体
電解質20と、電源（直流）とから構成される。正極には
イオン供給源物質23が、負極22には被処理ガス（ここで
は消化ガス）が供給される。

【００４３】固体電解質10は、いかなる形状のものでも
よく、例えば図２のように、器状に形成してもよい。そ
して、その断面形状も、使用状況等の各種条件、またガ
スの流通抵抗等を考慮して、円形、楕円形、多角形及び
流線形等、種々の形状のものが適宜に形成される。

【００４４】正極11,21と負極12,22は、先に述べた多孔
質性の電極が用いられ、固体電解質10,20に蒸着により
設けられる。尚、蒸着以外に、溶射、ディップコーティ
ング等により形成してよい。

【００４５】ここで、固体電解質10を前述のナトリウム
イオン導電体（NASICON等）、イオン供給源物質をNaO
H、被処理ガスをCH₄とCO₂とO₂とを含んだガスとした場
合の電極11,12における作用について、図１に基づき説
明する。

【００４６】先ず、NaOHが接触した正極11表面におい
て、以下の酸化反応が起こる。

【００４７】２NaOH → ２Na⁺＋H₂O＋１/２O₂＋２e^- …… （１）このとき、NaOHから遊離したナトリウムイオン（Na⁺）
は、正極11を通過し、さらに固体電解質10内を泳動して
負極12に達する。そして、負極12の表面おいて、以下の
還元反応が起こる。

【００４８】２Na⁺＋CO₂＋１/２O₂＋２e^- → Na₂CO₃ …… （２）この反応により、負極12の表面に拡散してきた前記被処
理ガス中に含まれた二酸化炭素（CO₂）は、炭酸ナトリ
ウム（Na₂CO₃）の形態で、同極12の表面に分離固定され
る。また、二酸化炭素以外のガスは、反応を起こさない
ため、別の経路にて回収される。

【００４９】反応式（２）によれば、二酸化炭素の固定
には酸素を必要とするが、被処理ガス中に酸素が含まれ
ていれば酸素を供給する必要はない。尚、反応式（２）
は可逆反応であるから、当該ガス中の酸素濃度を監視し
ながら系外から新たに酸素を導入すれば、二酸化炭素の
固定化はさらに促進される。

【００５０】また、反応式（１）によれば、正極11にお
ける酸化反応により酸素が生成される。したがって、こ
の生成した酸素を、直接、負極12に導入すれば、系外か
ら酸素を新たに供給する必要はなくなる。

【００５１】一方、二酸化炭素の取出しは、前記電極に
接続される電源を、二酸化炭素固定時と逆相に接続（放
電）すると共に加熱手段を設けて炭酸ナトリウムの融点
以上の温度に昇温することによって行われる。すなわ
ち、電源の正極を負極12に、同電源の負極を正極11に接
続する。

【００５２】このとき、負極12において酸化反応
（（２）式とは逆の反応）が、正極11において還元反応
（（１）式とは逆の反応）が進行し、炭酸ナトリウムは
分解され、二酸化炭素の取出しが可能となる。

【００５３】また、正極11と負極12との間に外部負荷を
接続して放電することにより、二酸化炭素を取出しても
よい。

【００５４】この放電により負極12において酸素と二酸
化炭素の混合ガスが生成されるが、このガスを放電中に
正極11室を介して系外に移送すれば、酸素と二酸化炭素
と分離することができる（（１）の逆の反応が進行する
から）。

【００５５】このように、当該二酸化炭素固定装置は、
理想的な二次電極の構成を成すため、系外から二酸化炭
素が供給される限り、蓄電が可能となる。

【００５６】図３は、充電時及び放電時の負極12側にお
ける二酸化炭素濃度の経時的変化を示した特性図であ
る。

【００５７】ここで、当該二酸化炭素固定装置は、イオ
ン導電体に前記NASICONを、電極に白金（Pt）を用い、
作動温度を充電時350℃とし、放電時には850℃まで昇温
している。特性図が示すように、二酸化炭素固定装置の
上流側の二酸化炭素濃度が単位秒当り１０２５ppmであ
る場合、二酸化炭素固定時においては、約４０００秒
（約６６分）で斜線部ａにおける積分量の二酸化炭素の
吸蔵を可能とし、二酸化炭素放出時においては、約４０
分で斜線部ｂにおける積分量の二酸化炭素の放出が可能
となっている。そして、斜線部ａと斜線部ｂにおける積
分量がほぼ同等であるので、該二酸化炭素固定装置は吸
蔵した分の二酸化炭素の放出が可能であることが示され
た。

【００５８】二酸化炭素固定時に印加する電圧は−0.5
〜3V、二酸化炭素放出時の電圧は＋0.5〜3Vが好ましい
ことが考えられる。但し、電圧は、これらの値に限定す
るものではなく、適宜に設定される。

【００５９】また、前記電解質において、前述のリチウ
ムイオン導電体を用いても図2と同様な結果が得られて
いる。この場合、二酸化炭素は、負極12において、炭酸
リチウム（Li₂CO₃）の形態で固定される。

【００６０】尚、動作温度は当該実験を行った際の温度
に限るものではなく、固体電解質、電極、イオン供給源
物質など、各材料毎に性能、分解温度等が異なるため、
動作温度は電極の触媒性能、電解質の導電率、イオン供
給源物質の溶解温度、さらには配管等をはじめとする各
構成の材料等を考慮して適宜に設定することが望まし
い。

【００６１】例えば、固体電解質としてNASICONを用
い、イオン供給源物質をNaOHとして種々の温度条件で実
験を行ったところ、280〜400℃の温度範囲で二酸化炭素
を分離固定することができ、特にNaOHの融点である318.
4℃以上が好ましいことが確認できた。ここで、融点31
8.4℃は一般に使用されている水、炭酸塩等の不純物を
含んでいるNaOHのものであり、純粋なNaOHであれば融点
は320℃である。

【００６２】また、動作温度は、充電時には排ガス自体
の排熱を利用して確保することができ、ガス温度が低い
場合及び放電時には、ヒーターやバーナー等の加熱手段
（図示省略）により二酸化炭素固定装置（または後述の
二酸化炭素固定ユニット）自体を加熱することにより温
度制御することも可能である。

【００６３】本発明に係る二酸化炭素固定方法の実施形
態例を、図４〜９に示す。

【００６４】図４は、第１形態に係る二酸化炭素固定ユ
ニットの概略構成図である。

【００６５】当該ユニットは、複数の二酸化炭素固定装
置41を、二酸化炭素を含有したガスが流通する配管（ダ
クトともいう）40内に、垂下支持することで構成され
る。

【００６６】また、図示されていないが、当該ユニット
には、二酸化炭素固定装置41に電圧を印加するための充
電機能と、固定した二酸化炭素を取出すための放電機能
とを備えた電源が具備される。

【００６７】二酸化炭素固定装置41は、図４（ａ）にお
いて、横断面が円形となるように形成されている。当該
装置41は、容易に脱着可能で、被処理ガスの負荷量に応
じて、配管40内に任意の数設置される。イオン供給源物
質も、適宜補充される。

【００６８】また、二酸化炭素固定装置41と被処理ガス
の接触効率を高めるため、配管40内には、装置41の下端
を通過するガスの流れを迂回させるための障害手段が設
置されている。障害手段は、図４において、迂流板42が
設置される。板42の高さは適宜調整される。

【００６９】図５は、第２形態に係る二酸化炭素固定ユ
ニットの概略構成図である。

【００７０】当該ユニットは、二酸化炭素固定装置41の
下端と配管40内壁面との間に耐熱性繊維魂52を介在させ
ることにより、装置41と被処理ガスの接触効率を高めて
いる（図５）。

【００７１】図６は、第３形態に係る二酸化炭素固定ユ
ニットの概略構成図である。

【００７２】当該ユニットは、二酸化炭素固定装置41
が、配管40を貫通して支持されて構成される。かかる構
成によって、図４及び５のような障害手段を備えない
で、二酸化炭素固定装置41と被処理ガスとを効率的に接
触させることができる。

【００７３】図７は、第４形態に係る二酸化炭素固定ユ
ニットの概略構成図である。

【００７４】当該ユニットは、二酸化炭素及び酸素を含
有したガスが供給される容器70内に、二酸化炭素固定装
置41が設置された二酸化炭素固定ユニットであって、前
記容器の開口部72には、二酸化炭素及び酸素を含有した
ガスを導入するための配管73と、前記容器内のガスを排
出するための配管74とが、具備されて構成される。

【００７５】容器70の容積と装置41の設置数は、被処理
ガスの負荷量に応じ定まる。二酸化炭素固定装置41は、
もちろん脱着可能で、例えば図４のように、容器天井部
から垂下支持される。

【００７６】開口部72と配管73,74の設置形態は、立地
条件に応じて様々である。ここでは、開口部72は容器40
底部に設けられ、配管73,74は開口部72から槽70内に引
込まれて設置されている。図示されたように、配管73,7
4は同心円状に配置した二重配管としてもよい。

【００７７】尚、図示省略されているが、図４〜７記載
の二酸化炭素固定ユニットには、前記二酸化炭素固定ユ
ニットを所定温度に昇温する加熱手段が付帯されてい
る。加熱手段には、設定温度可変の、ヒーターやバーナ
ー等がある。

【００７８】図８は、前記第１から４形態に係る二酸化
炭素固定ユニット（以下、ユニット81と称する）の使用
状態の一例である。

【００７９】ユニット81は、消化ガス等の被処理ガスが
流通する経路に設置され、ユニット81の一次側には二方
弁V10が、また二次側にはユニット81側から三方弁V11及
び二方弁V12が順次設置される。そして、V11には、前記
ガスから分離されたガスを排出するための配管84が接続
される。

【００８０】配管84は、二酸化炭素固定ユニットに直接
接続してもよい。また、二酸化炭素を放出する際（装置
81の放電時）に、V11の通気路は82側に設定されること
が望ましい。また、このとき、配管84には、ファン、ブ
ロワ等の吸引手段が接続される。放電時における負極で
の二酸化炭素の遊離は可逆反応であるから、ユニット81
内の二酸化炭素を強制的に排出させることによって効率
的な二酸化炭素の取出しが可能となる。

【００８１】図９は、本発明に係る二酸化炭素固定シス
テムの概要図（ａ）と、そのタイムスケジュールの一例
（ｂ）である。

【００８２】当該システムは、二酸化炭素固定ユニット
を二台備えた場合の一例であり、改質器90の二次側に、
二酸化炭素固定ユニットＡ91a（以下、ユニット91a）
と、二酸化炭素固定ユニットＢ91b（以下、ユニット91
b）とが並列に配置させて構成される。

【００８３】ユニット91a,91bには、後述のタイムスケ
ジュールに基づき、交互に、二酸化炭素及び酸素を含有
したガスが供給され、前記ガスが供給されないユニット
91a（若しくは91b）からは、固定された二酸化炭素が排
出される。

【００８４】ここで、ユニット91aとユニット91bは、一
次側経路に三方弁20（以下、V20）を、二次側経路に三
方弁23（以下、V23）を介して並列に配置される。ま
た、ユニット91aの二次側経路には三方弁21（以下、V2
1）が、さらにユニット91bの二次側経路には三方弁22
（以下、V22）が設置され、各々弁21,22に二酸化炭素排
出経路94が接続される。

【００８５】尚、ユニット91a,bの二次側（図９におい
ては、V23の二次側）には、二酸化炭素濃度測定手段93
が付帯され、ユニット91a,bの二酸化炭素除去性能が監
視される。

【００８６】電源92は、ユニット91aとユニット91bの共
有設備であり、充放電装置を備えている。充放電装置
は、交流電源を直流電源に変換させる機能を有してい
る。当該装置は、二酸化炭素固定時には、前記直流電源
の正極をユニット91a,bの正極に接続させ、同じくこの
電源の負極を同ユニット91a,bの負極に接続させる（以
下、これを充電接続と称する）。また、二酸化炭素取出
時には、前記直流電源の正極を前記ユニット91a,bの負
極に接続させ、同じくこの電源の負極を同ユニット91a,
bの正極に接続させる（以下、これを放電接続と称す
る）。

【００８７】尚、前記二酸化炭素取出時において、ユニ
ット91aとユニット91bに外部負荷を接続することによ
り、貯えた電気エネルギーを系外に供給してもよい。

【００８８】ユニット91a,bは、図９（ｂ）のタイムス
ケジュールに基づき、二酸化炭素の固定及び取出しを交
互に行う。二酸化炭素の固定及び取出しの切替時間は、
流入負荷量に応じて任意に設定される。

【００８９】図９（ｂ）において、ユニット91aは二酸
化炭素固定工程を終了させると二酸化炭素取出し工程に
移行し、ユニット91bは二酸化炭素固定工程に移行す
る。

【００９０】このとき、被処理ガスの供給路はV20によ
ってユニット91b側に設定され、さらにユニット91bから
の処理ガスの排出路はV22,23によって次工程側（図９に
おいては改質器等）に設定される二酸化炭素取出し工程
に移行したユニット91aにおいて、電源92の接続は放電
接続に切り替わる。このときV21は経路94側に設定され
ており、放電により遊離した二酸化炭素が、ブロワ等に
より吸引され、系外に移送される。

【００９１】一方、二酸化炭素固定工程に移行したユニ
ット91bにおいて、電源92の接続は充電接続に切り替わ
る。ここでの二酸化炭素固定の詳細な説明は、図１での
二酸化炭素原理説明に譲る。二酸化炭素が除去された処
理ガスは、ブロワ等によって吸引され、前記次工程に供
される。タイムスケジュールによる設定時間が消化され
ると、ユニット91bは二酸化炭素取出し工程に移行す
る。

【００９２】このように、ユニット91aとユニット91bと
を、交互に充電と放電を行うことにより、二酸化炭素の
固定と電力の生産が連続的に可能となる。

【００９３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る二酸化炭素固定方法及びその装置、並びに二酸化
炭素固定ユニット及びシステムは、以下の効果を奏す
る。

【００９４】二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素だけを
選択的かつ効率的に分離することができ、さらに分離し
た二酸化炭素を単独で取出すこともできる。

【００９５】また、本発明に係る二酸化炭素固定システ
ムは、充放電を交互に行っているので、二酸化炭素の固
定と取出しが連続的に可能となっている。

【００９６】さらに、本発明における電解質及び正負極
は二次電池構造を成し、当該電解質の両極で起こる酸化
還元反応は可逆的な反応で、放電によってイオン供給源
物質は再生されることから、薬品コストの消費量を最小
限に抑えることができる。しかも、この放電により電気
エネルギーを取出すことも可能であるから、ランニング
コストも低く抑えることができる。

【００９７】また、前記電解質は、固体電解質であるた
め、液漏れの心配がなくなるばかりでなく、装置として
小型化が可能となりイニシャルコストの低減が可能とな
る。さらに、負荷量に応じて有効反応容量を調整できる
ため、小規模から大規模な施設までの用途が広がる。

【００９８】このように、本発明に係る二酸化炭素固定
方法及びその装置、並びに二酸化炭素固定ユニット及び
システムは、二酸化炭素を効率的かつ低廉に分離するこ
とを可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る二酸化炭素固定方法の原理説明図

【図２】本発明に係る二酸化炭素固定装置の概略構成
図。

【図３】本発明に係る二酸化炭素固定装置の負極側にお
ける二酸化炭素濃度の経時的変化を示した特性図。

【図４】第１形態に係る二酸化炭素固定ユニットの概略
構成図、（ａ）は平面図、（ｂ）はA-A断面図。

【図５】第２形態に係る二酸化炭素固定ユニットの概略
構成図、（ａ）は平面図、（ｂ）はA-A断面図。

【図６】第３形態に係る二酸化炭素固定ユニットの概略
構成図、（ａ）は平面図、（ｂ）はA-A断面図。

【図７】第４形態に係る二酸化炭素固定ユニットの概略
構成図。

【図８】第１から４形態に係る二酸化炭素固定ユニット
の使用状態の一例。

【図９】（ａ）は本発明に係る二酸化炭素固定システム
の概要図、（ｂ）はそのタイムスケジュールの一例。

【符号の説明】

10，20…固体電解質 11，21…正極 12，22…負極 13…電源 23…イオン供給源物質 41…二酸化炭素固定装置 81、91ａ,91ｂ…二酸化炭素固定ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G046 JB08 JC06 4G075 AA04 BA10 BD05 BD14 CA02 CA13 CA57 DA01 EA02 EC21 FC11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極と負極とを設けた固体電解質の正極
に、イオン供給源物質を接触させ、かつ、前記固体電解
質の負極に、二酸化炭素及び酸素を含有したガスを接触
すると共に、前記正負極間に電圧を印加することによ
り、前記負極側にガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分
離固定する二酸化炭素固定方法であって、前記固体電解
質がナトリウムイオン導電体である場合、前記イオン供
給源物質はナトリウム化合物であること、または前記固
体電解質がリチウムイオン導電体である場合、前記イオ
ン供給源物質はリチウム化合物であること、を特徴とす
る二酸化炭素固定方法。
【請求項２】前記電圧を印加するための電源を二酸化
炭素固定時と逆相に接続にすると共に、前記炭酸塩をそ
の融点以上の温度に昇温ことにより、前記負極側に固定
した二酸化炭素を取出すこと、を特徴とする請求項１記
載の二酸化炭素固定方法。
【請求項３】イオン供給源物質が供給される正極と二
酸化炭素及び酸素を含有したガスが供給される負極とを
設けた固体電解質と、前記正負極間に電圧を印加するた
めの前記正負極間に電圧を印加して前記負極において気
相中の二酸化炭素を炭酸塩として分離固定させる電源と
を具備した二酸化炭素固定装置であって、前記固体電解
質がナトリウムイオン導電体である場合、前記イオン供
給源物質はナトリウム化合物であること、または前記固
体電解質がリチウムイオン導電体である場合、前記イオ
ン供給源物質をリチウム化合物であること、を特徴とす
る二酸化炭素固定装置。
【請求項４】前記固体電解質は、器状に形成され、そ
の空洞面には正極電極が、その外壁面には負極電極が、
覆設され、さらに前記空洞部には前記イオン供給源物質
が充填されること、を特徴とする請求項３記載の二酸化
炭素固定装置。
【請求項５】二酸化炭素を含有したガスが流通する配
管内に、請求項３または４記載の二酸化炭素固定装置
を、垂下支持して、配置したこと、を特徴とする二酸化
炭素固定ユニット。
【請求項６】前記配管内において、請求項３または４
記載の二酸化炭素固定装置の下端を通過するガスの流れ
を迂回させる障害手段を、配置したこと、を特徴とする
請求項５記載の二酸化炭素固定ユニット。
【請求項７】前記二酸化炭素固定装置は、前記配管を
貫通して支持されること、を特徴とする請求項６記載の
二酸化炭素固定ユニット。
【請求項８】二酸化炭素及び酸素を含有したガスが供
給される容器内に、請求項３または４記載の二酸化炭素
固定装置が設置された二酸化炭素固定ユニットであっ
て、前記容器の開口部には、二酸化炭素及び酸素を含有
したガスを導入するための配管と、前記容器内のガスを
排出するための配管とが、具備されること、を特徴とす
る二酸化炭素固定ユニット。
【請求項９】前記配管または容器には、請求1または
２記載の二酸化炭素固定装置が複数設けられること、を
特徴とする請求項５から８記載の二酸化炭素固定ユニッ
ト。
【請求項１０】請求項３から９までの二酸化炭素固定
ユニットにおいて、二酸化炭素固定ユニットからの二酸
化炭素を排出するための配管を設けると共に、前記二酸
化炭素固定ユニットを昇温する加熱手段を設けたこと、
を特徴とする二酸化炭素固定ユニット。
【請求項１１】請求項10の二酸化炭素固定ユニットが
少なくとも２つ並列に設置された二酸化炭素固定システ
ムであって、各二酸化炭素固定ユニットには、一定時間
毎交互に、二酸化炭素を含有したガスが供給され、該ガ
スが供給される、一の二酸化炭素固定ユニットにおいて
は、前記電源の負極を該ユニット内の二酸化炭素固定装
置の負極と、またその正極を同二酸化炭素固定装置の正
極と、導通することで、該ガス中の二酸化炭素を炭酸塩
として同二酸化炭素固定装置の負極に分離固定するこ
と、燃料ガスが供給されない、他の二酸化炭素ユニット
においては、同電源の負極を同二酸化炭素固定装置の正
極と、またその負極を同二酸化炭素固定装置の負極と、
導通することで、分離固定した二酸化炭素を装置外に放
出すること、を特徴とする二酸化炭素固定システム。