JP2005060137A

JP2005060137A - 二酸化炭素の固定化方法及びそのシステム

Info

Publication number: JP2005060137A
Application number: JP2003289783A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takeishi; 雅之武石; Mutsumi Sato; 睦佐藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】低コストで二酸化炭素を固定化できるとともに、固定化により付加価値の高い生成物を得ることができる二酸化炭素の固定化方法及びそのシステムを提供する。
【解決手段】原子力発電プラントに併設された水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解装置７０と、触媒が充填されており、二酸化炭素と水電解装置から水素とが供給され、メタン及び水蒸気を含む混合ガスを生成する第１反応炉１０と、第１反応炉で生成する混合ガスを凝縮する凝縮器５０と、凝縮器で凝縮された混合ガスをメタンガスと水とに分離するタンク６０と、タンクからメタンガスが供給され、カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ及びダイヤモンドからなる群から選択される少なくと１つの炭素製品を製造する第２反応炉１００と、混合ガスとタンクから第２反応炉へ供給されるメタンガスとの間で熱交換を行う熱交換器４０と、タンクから水を水電解装置へ供給する配管６４とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、地球温暖化ガスである二酸化炭素の削減のための二酸化炭素の固定化方法及びそのシステムに関する。

現在、地球温暖化ガスとして環境に悪影響を与える二酸化炭素の削減・固定化が世界的な急務となっている。そのため、近年、多くの二酸化炭素の固定化技術が開発されている。しかし、二酸化炭素は化学的に安定した化合物であり、二酸化炭素を固定化するためには、多大なエネルギーを必要とする。このエネルギーを得るために化石燃料が燃焼されると二酸化炭素が放出されるので、実質的に二酸化炭素の削減にはならないという問題がある。また、多大なエネルギーを必要とするため、二酸化炭素の固定化には非常に高いコストがかかるが、固定化により得られる生成物は商品価値が低いという問題がある。よって、事業化が可能な二酸化炭素の固定化技術の開発が望まれている。

一方、原子力発電プラントは、ウランの核分裂を利用して発電するため、発電による二酸化炭素の発生はない。また、原子力発電プラントは、火力発電プラントに比較して燃料費が安いという特長を有しており、長期にわたり定格出力で連続運転を行うことで、低コストで電力を供給することができる。しかし、電力の需要量は、昼間と夜間で大きく変化し、昼間の電力需要は夜間の約２倍に達している。そのため、原子力発電プラントでは、今後、分散化電源の設置が増えることを考慮すると、夜間に余剰電力が生じていくという問題がある。

そこで、夜間の余剰電力を利用して、水分解装置で水を水素と酸素に分解し、この水素を二酸化炭素と反応させて貯蔵可能な燃料であるメタノールを合成するという二酸化炭素の固定化技術が開発されている（特許文献１）。しかしながら、この技術では、メタノール燃料しか得られず、二酸化炭素から得られる付加価値が小さいという問題がある。

特開平１１−４６４６０号公報（第６頁、図３）

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、低コストで二酸化炭素を固定化できるとともに、固定化により付加価値の高い生成物を得ることができる二酸化炭素の固定化方法及びそのシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る二酸化炭素の固定化方法は、水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解工程と、二酸化炭素と前記水電解工程で得られた水素とを触媒の存在下で反応させて、メタン及び水を含む混合ガスを生成する第１反応工程と、前記第１反応工程で得られた混合ガス中の水分を凝縮してメタンガスと水とに分離する分離工程と、前記分離工程で得られたメタンガスを原料として、カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ及びダイヤモンドからなる群から選択される少なくと１つの炭素製品を製造する第２反応工程とを含んでなり、前記混合ガスと前記メタンガスとの間で熱交換を行い、前記分離工程で得られた水を前記水電解工程で使用するものである。

上記の第１反応工程と第２反応工程は、それぞれ以下の反応式で表せる。
第１反応：ＣＯ₂＋４Ｈ₂→ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ・・・（式１）
第２反応：ＣＨ₄→Ｃ＋２Ｈ₂・・・（式２）
第２反応は吸熱反応（約１２８０℃）であるが、第１反応は発熱反応（約３００℃）であるため、第１反応で得られたメタン及び水の混合物と第２反応の原料であるメタンとの間で熱交換を行うことで、第１反応の熱エネルギーを回収でき、エネルギー効率を向上させることができる。また、第２反応工程によれば、上記式２に示すように、地球温暖化ガスである二酸化炭素を生成することなく、グラファイトやカーボンナノチューブ、ダイヤモンドなどの付加価値の高い炭素製品を製造することができる。なお、第１反応に必要な水素は、安価である原子力発電プラントの夜間電力で水を電気分解することで、二酸化炭素を生成することなく、安価に水素を得ることができる。

前記第２反応工程において炭素製品とともに水素が副生する場合、この水素を、前記メタンガスとの間で熱交換を行った後、前記第１反応工程で使用することが好ましい。また、太陽光を吸収して得られる熱エネルギーを利用して、前記第２反応工程の予熱を行うことが好ましい。

前記第２反応工程は、その一形態として、前記メタンガスを不活性雰囲気中でカーボンヒータにより温度１０８０℃以上に加熱してカーボンを得る工程を含むことが好ましい。本発明のサバティエ法の第２反応（式２）はメタンの分解反応であり、装置実験による最適温度の確認によると反応温度１２８０℃付近で、メタンの分解率が９９％と最高効率を示す。その最高効率を示す温度から、反応温度が減少するにつれて、分解効率は徐々に低下し、１２８０℃−２００℃（１０８０℃付近）の温度では、メタンの分解効率は８５％程度に低下する。しかし、メタンの分解効率８５％は、本目的においては許容範囲であるので１０８０℃以上とした。一方、１２８０℃付近より高温側では、メタンの分解率は９９％と最高効率を維持し続ける。過剰に反応温度を上昇させても、メタン分解率は変化せず、エネルギーの消費が増加し、反応機器への負担も増加するのみであるため、高温域も＋２００℃の増加温度すなわち１４８０℃以下が望ましい。また、前記第２反応工程は、別の形態として、前記メタンガスを不活性雰囲気中で断熱圧縮してカーボンを得る工程を含むことが好ましい。なお、これら形態において、前記第２反応工程は、前記得られたカーボンを高周波誘導加熱で温度３０００℃以上に加熱してグラファイトを得る工程を更に含むことが好ましい。

前記第２反応工程は、また別の形態として、前記メタンガスに温度２０００℃以上のヘリウムガスを加圧噴射して反応させ、気相中にカーボン粒子を生成する工程と、この気相中のカーボン粒子を高周波誘導加熱で温度３０００℃以上に加熱してグラファイトを得る工程とを含むことが好ましい。また、前記第２反応工程は、更に別の形態として、前記メタンガスに酸素を加えて不完全燃焼させ、気相中にカーボン粒子を生成する工程と、この気相中のカーボン粒子を高周波誘導加熱で温度３０００℃以上に加熱してグラファイトを得る工程とを含むことが好ましい。

前記第２反応工程は、また別の形態として、前記メタンガスを不活性雰囲気中でアーク放電させてカーボンナノチューブを得る工程を含むことがことが好ましい。また、前記第２反応工程は、更に別の形態として、前記メタンガスと触媒メタルとを温度５００〜１２００℃に加熱された流動層中に供給して、流動層中でカーボンナノチューブを生成する工程を含むことが好ましい。

前記第２反応工程は、また別の形態として、プラズマＣＶＤ法により前記メタンガスからダイヤモンドを得る工程を含むことが好ましい。

また、本発明は、別の側面として、二酸化炭素の固定化システムであって、水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解装置と、触媒が充填されており、二酸化炭素と前記水電解装置から水素とが供給され、メタン及び水蒸気を含む混合ガスを生成する第１反応炉と、前記第１反応炉で生成する混合ガス中の水分を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器からメタンガスが供給され、カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ及びダイヤモンドからなる群から選択される少なくと１つの炭素製品を製造する第２反応炉と、前記混合ガスと、前記凝縮器で生成し前記第２反応炉へ供給されるメタンガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、前記凝縮器で生成する水を前記水電解装置へ供給する配管とを含んでなるものである。

本発明に係る二酸化炭素の固定化システムは、前記第２反応炉で炭素製品とともに副生する水素を前記第１反応炉に供給する配管と、前記副生する水素と前記メタンガスとの間で熱交換を行う熱交換器とを更に含んでなることが好ましい。また、前記第２反応炉には、太陽光を吸収して熱エネルギーに変換する熱吸収膜を備えることが好ましい。

前記第２反応炉は、別の形態として、カーボンを製造するために、石英管と、前記石英管中に設けられたカーボンヒータと、前記石英管の外周に設けられたリフレクタとを含むものが好ましい。また、前記第２反応炉は、更に別の形態として、カーボンを製造するために、チャンバと、前記チャンバ内を断熱圧縮するピストンとを含み、前記チャンバはカーボンを捕集するためのフィルタを備えるものが好ましい。なお、これら形態において、本発明に係る二酸化炭素の固定化システムは、前記第２反応炉で得られたカーボンからグラファイトを生成するための高周波誘導加熱炉を更に含むことが好ましい。

前記第２反応炉は、また別の形態として、グラファイトを製造するために、温度２０００℃以上のヘリウムガスを加圧噴射する噴射器と、高周波誘導加熱炉とを含むものが好ましい。また、前記第２反応炉は、更に別の形態として、グラファイトを製造するために、メタンガスを不完全燃焼させるガスバーナと、高周波誘導加熱炉と、除湿器とを含むものが好ましい。

前記第２反応炉は、また別の形態として、カーボンナノチューブを製造するために、カーボン電極を備えてなるアーク放電装置を含むことが好ましい。また、前記第２反応炉は、更に別の形態として、カーボンナノチューブを製造するために、多孔質の流動材が充填された流動層を含むものが好ましい。

前記第２反応炉は、また別の形態として、ダイヤモンドを製造するために、プラズマＣＶＤ装置を含むことが好ましい。

上記したところから明らかなように、本発明によれば、低コストで二酸化炭素を固定化できるとともに、固定化により付加価値の高い生成物を得ることができる二酸化炭素の固定化方法及びそのシステムを提供することができる。また、本発明により、排ガスから回収されたＣＯ₂や原子力発電所の余剰電力を用いて製造された製品は、環境保護に配慮したものとしてより高い価格で販売することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第１の実施の形態を示す模式図である。図１に示すように、第１反応炉１０の入口は、ＣＯ₂配管２２を介してＣＯ₂タンク２０と、Ｈ₂配管３２を介してＨ₂タンク３０と接続している。第１反応炉１０内には、上記式１に示す第１反応を促進する触媒が充填されている。触媒は白金系触媒が好ましく、特にルテニウム（Ｒｕ）を活性金属とする触媒がより好ましい。触媒の形状は、ペレット状または粒状なども採用できるが、反応効率から比表面積が広いハニカム状が好ましい。

第１反応炉１０の出口は、混合ガス配管１２を介してタンク６０に接続している。混合ガス配管１２には、第１反応炉１０側から順に、熱交換器４０と凝縮器５０とが設置されている。タンク６０は気液分離できるものであれば特に限定されない。タンク６０の液相側出口は、水配管６４を介して水電解装置７０に接続している。この水電解装置７０は、原子力発電プラント（図示省略）に併設されており、夜間の余剰電力により運転される。

水電解装置７０としては、固体高分子であるイオン交換膜を電解質として使用する固体高分子形水電解（ＳＰＷＥ）水素製造装置が好ましい。このＳＰＷＥ水素製造装置の陽極では、水が電気分解されて酸素ガスと水素イオンを発生する。水素イオンは固体高分子電解質膜を介して陰極へ移動する。陰極では、水素イオンが電子と結合して水素ガスを発生する。よって装置全体として、水から水素と酸素とが発生することとなる。この反応は８０℃程度の温度で進行するため、エネルギー消費量が少ないという特長がある。また、この水の電気分解では地球温暖化ガスである二酸化炭素を発生しない。更に、アルカリ水電解法では電解効率が７０〜８５％であるのに対し、ＳＰＷＥ法では約９０％と電解効率が高い。更にまた、水素発生部と酸素発生部が固体高分子電解質膜にて分離されているため、高純度（９９．９９％以上）の水素を製造することができる。また、アルカリ水溶液と異なり、電解質に腐食性がない。

水電解装置７０の水素側出口は、Ｈ₂配管７２を介してＨ₂タンク３０に接続している。また、水電解装置７０の酸素側出口は、Ｏ₂配管７４を介して酸素利用設備（図示省略）に接続している。また、タンク６０の気相側出口は、メタン配管６２を介して第二反応炉１００に接続している。メタン配管６２には、熱交換器４０が設置されており、すなわち、メタン配管６２と混合ガス配管１２との間で熱交換がされるように構成されている。

第２反応炉１００内には、円筒形状の石英管１２０が設置されており、この石英管１２０内には、発熱体であるカーボンヒータ１１０が設置されている。このカーボンヒータ１１０は、約１０００〜１５００℃の範囲で加熱できる性能を有している。また、石英管１２０の外周は、カーボンヒータ１１０の熱の放熱を反射により防ぐリフレクタ１３０が設けられており、これにより熱効率を向上させることができる。なお、メタン配管６２は石英管１２０内まで設けらており、また、石英管１２０内には、生成する水素をＨ₂タンク３０に供給するＨ₂配管１９０が設けられている。このＨ₂配管１９０には、熱交換器４０が設置されており、すなわち、Ｈ₂配管１９０とメタン配管６２との間で熱交換がされるように構成されている。

また、第２反応炉１００の天井部及び壁面部には、太陽光を吸収して熱エネルギーに変換する熱吸収膜１５０が設けられている。熱吸収膜１５０としては、例えば、焙焼酸化亜鉛膜などを用いることができる。また、太陽光は、直接第２反応炉１００に照射できる他、鏡やレンズ、グラスファイバーなどの光学機器を用いて集光して、第２反応炉１００に導くこともできる。その結果、第２反応炉１００を４０〜７０℃の温度へ昇温することができる。このように太陽熱を利用することによりエネルギーコストを下げることができる。なお、太陽光以外の熱源も補助的あるいは付加的に使用することができる。

以上の構成によれば、先ず、水電解装置７０で水を電気分解して、水素ガスと酸素ガスを製造する。この電気分解は、原子力発電プラント（図示省略）の夜間電力を利用する。得られた酸素ガスは、Ｏ₂配管７４を介して酸素利用設備（図示省略）に供給し有効利用する。また、水素ガスは、Ｈ₂配管７２を介してＨ₂タンク３０に供給し、一時的に貯蔵する。

次に、ＣＯ₂タンク２０から二酸化炭素ガスを、Ｈ₂タンク３０から水素ガスを、それぞれ配管を介して第１反応炉１０に供給する。第１反応炉１０内では、触媒存在下で上記式１の第１反応が進行し、約３００℃のメタンガス及び水蒸気を含む混合ガスが生成する。生成した混合ガスは、混合ガス配管１２を介して、熱交換器４０でメタン配管６２中のメタンガスを加熱する。その後、この混合ガスは、凝縮器５０で室温まで冷却され、水分が凝縮されてメタンガスと水とに分離し、タンク６０に供給される。タンク６０中の水は、水配管７２を介して水電解装置７０に供給され、水電解装置７０で電気分解に再利用される。一方、タンク６０中のメタンガスは、メタン配管６２を介して、熱交換器４０で加熱された後、第２反応炉１００内に設置された石英管１２０内に導入される。

石英管１２０内に導入されたメタンガスは、好ましくは１２００〜１３００℃に加熱されたカーボンヒータ１１０により熱分解され、カーボンと水素が生成する（上記式２の第２反応）。カーボンはカーボンヒータ１１０に付着して生成するので、一定の量のカーボンが生成した場合、第２反応炉１００の運転を停止して、カーボンを回収する。回収したカーボンは、別途、高周波誘導加熱炉（図示省略）にて３０００℃以上、好ましくは３０００〜４０００℃に加熱することで、付加価値の高いグラファイトにすることができる。また、副生した水素は、Ｈ₂配管１９０を介して、熱交換器４０でメタンガスを加熱した後、Ｈ₂タンク３０に供給されて、第１反応炉１０での第１反応に再利用される。

なお、石英管１２０内は、メタンガスを熱分解するために、不活性雰囲気にしておく必要がある。不活性ガスとしては、例えば、ＨｅガスやＮ₂ガス等を使用することができる。不活性ガスは反応前に充填しておけば十分で、反応中に供給する必要はない。また、第２反応炉１１０内は、熱吸収膜１５０により昼間の太陽熱で十分に暖められており、クリーンエネルギーを利用して第２反応を促進することができる。

このように、原子力発電プラントの夜間電力を利用して、水電解装置７０にて水を電気分解することで、二酸化炭素を生成することなく、安価に第１反応に必要な水素を得ることができる。また、第２反応の原料であるメタンガスを熱交換器４０を用いて加熱することで、エネルギー効率を向上させることができる。更に、カーボンヒータ１１０によれば、二酸化炭素を生成することなく、容易にカーボンを製造することができるとともに、副生物として水素が生成するため、これを再び第１反応炉１０に供給することで、エネルギー効率を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第２の実施の形態を示す模式図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図２に示すように、第２反応炉２００の天井部には、第２反応炉２００内に温度２０００℃以上のヘリウムガスを加圧噴射するＨｅ噴射器２１０が設置されている。なお、ヘリウムガスに代えて、窒素ガスなどの不活性ガスも使用することができる。また、第２反応炉２００の底部には、高周波誘導加熱炉２２０が設置されており、この高周波誘導加熱炉２２０の中央部には、基板２３０が設けられている。なお、第２反応炉２００には、第１の実施の形態と同様に、熱吸収膜２５０が設けられている。

以上の構成によれば、先ず、熱交換器４０で加熱したメタンガスを、メタン配管６２から第２反応炉２００内に供給する。そして、Ｈｅ噴射器２１０から、温度２０００℃以上、好ましくは２０００〜３０００℃のヘリウムガスを第２反応炉２００内に加圧噴射する。これにより、第２反応炉２００内の気相中でカーボン粒子２６０が生成する。生成したカーボン粒子２６０は、高周波誘導加熱炉２２０内に落下する。そして、カーボン粒子２６０を高周波誘導加熱炉２２０で３０００℃以上、好ましくは３０００〜４０００℃に加熱することで、基板２３０上にグラファイト２７０が生成する。また、副生する水素は、Ｈ₂配管２９０を介して、熱交換器４０でメタンガスを加熱した後、Ｈ₂タンク３０に供給されて、第１反応炉１０での第１反応に再利用される。

このように、Ｈｅ噴射器２１０で温度２０００℃以上のヘリウムガスを加圧噴射することにより、気相中にカーボン粒子２６０が生成するので、カーボンを基材などに一旦付着させることなく、連続的にグラファイト２７０を製造することができる。よって、付加価値の高いグラファイトを容易に製造することができる。

（第３の実施の形態）
図３は、本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第３の実施の形態を示す模式図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図３に示すように、第２反応炉３００の天井部には、ガスバーナ３１０が設けられており、第２反応炉３００内にガスバーナ３１０の火炎が形成されるように配置されている。ガスバーナ３１０のメタン導入口３１２には、メタン配管６２が接続しており、ガスバーナ３１０の酸素導入口３１４には、酸素供給源（図示省略）が接続している。また、第２反応炉３００の底部には、高周波誘導加熱炉３２０が設置されており、この高周波誘導加熱炉３２０の中央部には、基板３３０が設けられている。

第２反応炉３００内には、除湿器３４０が設置されている。除湿器３４０としては、例えば、シリカゲルなどの吸水性を有する化合物が充填されたものや、熱交換器を用いてあるいは電気的に空気を冷却して除湿するものなどを使用することができる。また、第２反応炉３００には、Ｈ₂タンク３０に水素を供給するＨ₂配管３９０が設けられている。このＨ₂配管３９０には、第２反応炉３００側から順にＨ₂分離器３９２と熱交換器４０とが設けられている。Ｈ₂分離器３９２としては、例えば、モレキュラーシーブなどの水素吸着剤やＰｄ−Ａｇ合金などの水素透過膜を使用することができる。

以上の構成によれば、先ず、熱交換器４０で加熱したメタンガスを、メタン配管６２を介してメタン導入口３１２からガスバーナ３１０に供給する。そして、酸素導入口３１４から酸素を取り込み、ガスバーナ３１０によりメタンガスを不完全燃焼させる。この不完全燃焼により第２反応炉３００内に煤が発生するため、これがカーボン形成の種となり、第２反応炉３００内の気相中でカーボン粒子３６０が生成する。生成したカーボン粒子３６０は、高周波誘導加熱炉３２０内に落下する。そして、カーボン粒子３６０を第２の実施の形態と同様に高周波誘導加熱炉３２０で加熱することで、基板３３０上にグラファイト３７０が生成する。なお、メタンガスを酸素と燃焼させると水が副生する（ＣＨ₄＋Ｏ₂→Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ）が、この水は除湿器３４０により吸収除去される。また、水素の他に水などがＨ₂配管３９０を介してＨ₂タンク３０に供給されるのを防ぐため、Ｈ₂分離器３９２により水素を分離した後、熱交換器４０でメタンガスを加熱して、Ｈ₂タンク３０に供給する。

このように、ガスバーナ３１２でメタンガスを不完全燃焼させることにより、気相中にカーボン粒子３６０が生成するので、カーボンを基材などに一旦付着させることなく、連続的にグラファイト３７０を製造することができる。よって、付加価値の高いグラファイトを容易に製造することができる。

（第４の実施の形態）
図４は、本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第４の実施の形態を示す模式図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図４に示すように、第２反応炉４００内には、陽極及び陰極にそれぞれ接続された一対のカーボン電極４１０が設けられている。なお、カーボン電極として黒鉛を使用することで、カーボンナノチューブの収率を向上させることができる。カーボン電極４１０の下方には、生成するカーボンナノチューブを回収するための回収器４２０が設けられている。なお、第２反応炉４００には、第１の実施の形態と同様に、熱吸収膜４５０が設けられている。

以上の構成によれば、先ず、熱交換器４０で加熱したメタンガスを、メタン配管６２を介して第２反応炉４００内に供給する。そして、カーボン電極４１０間でアーク放電４３０を行う。アーク放電４３０によってメタンガスまたはカーボン電極が熱分解され、カーボンナノチューブが生成する。カーボンナノチューブは回収器４２０上で回収される。副生する水素は、Ｈ₂配管４９０を介して、熱交換器４０でメタンガスを加熱した後、Ｈ₂タンク３０に供給され、第１反応炉１０での第１反応に再利用される。なお、第２反応炉４００内は、第１の実施の形態と同様に、不活性雰囲気にしておく必要があるが、反応が進行した後に不活性ガスを供給する必要はない。

このように、アーク放電４３０によりメタンガスを熱分解させることにより、より付加価値の高いカーボンナノチューブを直接的に製造することができる。

（第５の実施の形態）
図５は、本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第５の実施の形態を示す模式図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図５に示すように、第２反応炉５００内には、流動材で充填された流動層５１０が設けられている。流動材としては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒなどの金属粒子又は金属合金粒子、グラファイト状のカーボン、ケイ砂又は酸化アルミニウム（アルミナ）などの粒子を使用することができる。第２反応炉５００の底部、すなわち流動層５１０の底部には、流動層５１０内にメタンガスを供給するためのメタン配管６２が設けられている。また、流動層５１０の底部には、触媒メタルと流動材を流動層５１０内に気流搬送するための触媒メタル／流動材配管５０２が設けられている。触媒メタルとしては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属化合物（例えば、塩化物、酸化物、金属錯体など）を使用することができる。一方、第２反応炉５００の頂部には、生成したカーボンナノチューブを捕集器５２０へ気流搬送するための配管が設けられている。

捕集器５２０内には、気体中のカーボンナノチューブを衝突させて回収するための捕集板（図示省略）が複数設けられている。また、捕集器５２０の後流側には、サイクロンなどの遠心力を利用した浄化器５３０と、第３の実施の形態で説明したＨ₂分離器５４０とが順に設けられている。そして、Ｈ₂分離器５４０の水素出口側は、熱交換器４０を通るＨ₂配管５９０を介してＨ₂タンク３０に接続している。また、流動層５１０の底部には、流動層５１０からオーバーフローした流動材が供給される回収器５５０が設けられている。回収器５５０は、流動材とカーボンナノチューブとを分離できるものであれば特に限定されない。

以上の構成によれば、熱交換器４０で加熱したメタンガスを、メタン配管６２を介して第２反応炉５００内の流動層５１０の底部から供給する。また同時に、触媒メタルと流動材も配管５０２を介して流動層５１０の底部から供給する。なお、流動層５１０内のガス流速は、底部から頂部に向かって約１ｍ／ｓに調整する。そして、流動層５１０を５００〜１２００℃、好ましくは９００〜１０００℃に加熱する。これにより、流動層５１０内では、メタンガス、触媒メタル、流動材が均一に混合されて、カーボンナノチューブが連続的に生成する。カーボンナノチューブは触媒メタルや流動材よりも比重が軽いため、第２反応炉５００の頂部から排出され、捕集器５２０に気流搬送される。捕集器５２０で殆どのカーボンナノチューブが回収された後、浄化器５３０で残りのカーボンナノチューブが回収される。気体中には副生する水素の他にメタンなどがＨ₂配管５９０を介してＨ₂タンク３０に供給されるのを防ぐため、Ｈ₂分離器３９２により水素を分離した後、熱交換器４０でメタンガスを加熱して、Ｈ₂タンク３０に供給する。

このように、流動層５１０を用いることで、メタンガスと触媒メタルとを安定的に連続供給し、これらを均一に混合して加熱することが可能になるので、純度の高いカーボンナノチューブを連続的に製造することができる。

（第６の実施の形態）
図６は、本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第６の実施の形態を示す模式図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図６に示すように、第２反応炉６００の頂部には、コイル状の電極６１０が設置されている。この電極６１０には高周波電源６２０が接続している。また、第２反応炉頭部には、メタンガスとＡｒガスとを第２反応炉６００内に導入するガス導入ノズル６５０が設けられている。メタン配管６２はこのガス導入ノズル６５０に接続している。さらに、第２反応炉６００の底部には、基板ホルダ６３０が設けられている。基板ホルダ６３０上には基板６４０が設置されている。また、第２反応炉６００には排ガス管６６０が設けられており、この排ガス管６６０には真空ポンプ６６２が設けらている。

以上の構成によれば、先ず、熱交換器４０で加熱したメタンガスを、メタン配管６２を介してガス導入ノズル６５０に供給する。そして、Ａｒガスとともにガス導入ノズル６５０から第２反応炉６００内にメタンガスを導入する。これにより、電極６１０と基板ホルダ６３０との間で、プラズマ６８０が発生する。このプラズマ６８０により、基板上にダイヤモンド薄膜６７０が化学蒸着（ＣＶＤ）される。第２反応炉６００内は、真空ポンプ６６２より強制的に排気される。

このように、プラズマＣＶＤ法によりメタンガスを原料として、より付加価値の高い薄膜状のダイヤモンドを製造することができる。

（第７の実施の形態）
図７は、本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第７の実施の形態を示す模式図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図７に示すように、第２反応炉２００内には、カーボン粒子を捕集できるフィルタ７２２を備えたチャンバ７２０が構成されており、このチャンバ７２０の底部には基板が備えられている。第２反応炉７００の天井部には、チャンバ７２０内を圧縮断熱するピストン７１０が設置されている。第２反応炉７００の壁部には、第２反応炉７００内にヘリウムガスを供給するＨｅ導入ノズル７４０が設置されている。

第２反応炉７００には排ガス管７６０が設けられており、この排ガス管７６０には、Ｈ₂分離器７６０が設けられている。Ｈ₂分離器７６０のＨｅ出口側は、Ｈｅ配管７６４を介してＨｅ導入ノズル７４０と接続している。一方、Ｈ₂分離器７６０の水素出口側は、Ｈ₂配管７９０を介して熱交換器４０を経た後にＨ₂タンク３０に接続している。なお、第２反応炉７００には、第１の実施の形態と同様に、熱吸収膜７５０が設けられている。

以上の構成によれば、先ず、熱交換器４０で加熱したメタンガスを、メタン配管６２から第２反応炉７００内に供給する。また、Ｈｅ導入ノズル７４０から第２反応炉７００内にヘリウムガスを導入する。そして、ピストン７１０の運転を開始して、チャンバ７２０内を圧力１〜１０ＭＰａ、好ましくは２〜３ＭＰａまで断熱圧縮する。これにより、メタンガスとヘリウムガスの混合ガスが加熱され、メタンガスが熱分解して、チャンバ７２０内にカーボン粒子７７０が生成する。カーボン粒子７７０はフィルタ７２２でトラップされるので、チャンバ７２０内で容易に回収できる。回収したカーボンは、第１の実施の形態と同様に高周波誘導加熱炉（図示省略）にて加熱することで、付加価値の高いグラファイトにすることができる。

副生する水素は、ヘリウムガスとともに排ガス管７６０から排出され、Ｈ₂分離器７６２で水素とヘリウムガスとに分離される。ヘリウムガスは、Ｈｅ配管を介してＨｅ導入ノズル７４０で再び第２反応炉７００内に供給される。水素は、Ｈ₂配管７９０を介して熱交換器４０でメタンガスを加熱した後、Ｈ₂タンク３０に供給されて、第１反応炉１０での第１反応に再利用される。

このように、メタンガスを断熱圧縮することでも、メタンガスを熱分解することができるので、粒子状のカーボンを容易に得ることができる。

本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第１の実施の形態を示す模式図である。本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第２の実施の形態を示す模式図である。本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第３の実施の形態を示す模式図である。本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第４の実施の形態を示す模式図である。本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第５の実施の形態を示す模式図である。本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第６の実施の形態を示す模式図である。本発明に係る二酸化炭素の固定化システムの第７の実施の形態を示す模式図である。

符号の説明

１０第１反応炉
１２混合ガス配管
２０ＣＯ₂タンク
２２ＣＯ₂配管
３０Ｈ₂タンク
３２Ｈ₂配管
４０熱交換器
５０凝縮器
６０タンク
６２メタン配管
６４水配管
７０水電解装置
７２Ｈ₂配管
７４Ｏ₂配管
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００第２反応炉
１１０カーボンヒータ
１２０石英管
１３０リフレクタ
１５０、２５０、４５０、７５０熱吸収膜
１９０、２９０、３９０、４９０、５９０、７９０Ｈ₂配管
２１０Ｈｅ噴出器
２２０、３２０高周波誘導加熱炉
２３０、３３０、６４０、７３０基板
２６０、３６０、７７０カーボン粒子
２７０、３７０グラファイト
３１０ガスバーナ
３１２メタン導入口
３２４酸素導入口
３４０除湿器
３９２、５４０、７６２Ｈ₂分離器
４１０カーボン電極
４２０回収器
４３０アーク放電
５０２触媒メタル／流動材配管
５１０流動層
５２０捕集器
５３０浄化器
５５０回収器
６１０電極
６２０高周波電源
６３０基板ホルダ
６５０ガス導入ノズル
６６０、７６０排ガス管
６６２真空ポンプ
６７０ダイヤモンド薄膜
６８０プラズマ
７１０ピストン
７２０チャンバ
７２２フィルタ
７４０Ｈｅ導入ノズル
７６４Ｈｅ配管

Claims

水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解工程と、
二酸化炭素と前記水電解工程で得られた水素とを触媒の存在下で反応させて、メタン及び水を含む混合ガスを生成する第１反応工程と、
前記第１反応工程で得られた混合ガス中の水分を凝縮してメタンガスと水とに分離する分離工程と、
前記分離工程で得られたメタンガスを原料として、カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ及びダイヤモンドからなる群から選択される少なくと１つの炭素製品を製造する第２反応工程と
を含んでなり、前記混合ガスと前記メタンガスとの間で熱交換を行い、前記分離工程で得られた水を前記水電解工程で使用する二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程において炭素製品とともに副生する水素を、前記メタンガスとの間で熱交換を行った後、前記第１反応工程で使用する請求項１に記載の二酸化炭素の固定化方法。
太陽光を吸収して得られる熱エネルギーを利用して、前記第２反応工程の予熱を行う請求項１又は２に記載の二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程が、前記メタンガスを不活性雰囲気中でカーボンヒータにより温度１０８０℃以上に加熱してカーボンを得る工程を含む請求項１〜３のいずれかに記載の二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程が、前記メタンガスに温度２０００℃以上のヘリウムガスを加圧噴射して反応させ、気相中にカーボン粒子を生成する工程と、この気相中のカーボン粒子を高周波誘導加熱で温度３０００℃以上に加熱してグラファイトを得る工程とを含む請求項１〜３のいずれかに記載の二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程が、前記メタンガスに酸素を加えて不完全燃焼させ、気相中にカーボン粒子を生成する工程と、この気相中のカーボン粒子を高周波誘導加熱で温度３０００℃以上に加熱してグラファイトを得る工程とを含む請求項１又は２に記載の二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程が、前記メタンガスを不活性雰囲気中でアーク放電させてカーボンナノチューブを得る工程を含む請求項１〜３のいずれかに記載の二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程が、前記メタンガスと触媒メタルとを温度５００〜１２００℃に加熱された流動層中に供給して、流動層中でカーボンナノチューブを生成する工程を含む請求項１又は２に記載の二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程が、プラズマＣＶＤ法により前記メタンガスからダイヤモンドを得る工程を含む請求項１に記載の二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程が、前記メタンガスを不活性雰囲気中で断熱圧縮してカーボンを得る工程を含む請求項１〜３のいずれかに記載の二酸化炭素の固定化方法。
前記第２反応工程が、前記得られたカーボンを高周波誘導加熱で温度３０００℃以上に加熱してグラファイトを得る工程を更に含む請求項４又は１０に記載の二酸化炭素の固定化方法。
水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解装置と、
触媒が充填されており、二酸化炭素と前記水電解装置から水素とが供給され、メタン及び水蒸気を含む混合ガスを生成する第１反応炉と、
前記第１反応炉で生成する混合ガス中の水分を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器からメタンガスが供給され、カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ及びダイヤモンドからなる群から選択される少なくと１つの炭素製品を製造する第２反応炉と、
前記混合ガスと、前記凝縮器で生成し前記第２反応炉へ供給されるメタンガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、
前記凝縮器で生成する水を前記水電解装置へ供給する配管と
を含んでなる二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉で炭素製品とともに副生する水素を前記第１反応炉に供給する配管と、前記副生する水素と前記メタンガスとの間で熱交換を行う熱交換器とを更に含んでなる請求項１２に記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉が、太陽光を吸収して熱エネルギーに変換する熱吸収膜を備える請求項１２又は１３に記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉が、カーボンを製造するために、石英管と、前記石英管中に設けられたカーボンヒータと、前記石英管の外周に設けられたリフレクタとを含む請求項１２〜１４のいずれかに記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉が、グラファイトを製造するために、温度２０００℃以上のヘリウムガスを加圧噴射する噴射器と、高周波誘導加熱炉とを含む請求項１２〜１４のいずれかに記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉が、グラファイトを製造するために、メタンガスを不完全燃焼させるガスバーナと、高周波誘導加熱炉と、除湿器とを含む請求項１２又は１３に記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉が、カーボンナノチューブを製造するために、カーボン電極を備えてなるアーク放電装置を含む請求項１２〜１４のいずれかに記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉が、カーボンナノチューブを製造するために、多孔質の流動材が充填された流動層を含む請求項１２又は１３に記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉が、ダイヤモンドを製造するために、高周波プラズマＣＶＤ装置を含む請求項１２に記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉が、カーボンを製造するために、チャンバと、前記チャンバ内を断熱圧縮するピストンとを含み、前記チャンバはカーボンを捕集するためのフィルタを備える請求項１２〜１４のいずれかに記載の二酸化炭素の固定化システム。
前記第２反応炉で得られたカーボンからグラファイトを生成するための高周波誘導加熱炉を更に含んでなる請求項１５又は２１に記載の二酸化炭素の固定化システム。