JP2021148044A - Carbon dioxide separation and recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二酸化炭素分離回収装置に関する。 The present invention relates to a carbon dioxide separation and recovery device.
従来、排気中に含まれる二酸化炭素を分離して回収を行うために、二酸化炭素の吸着剤が利用されている。例えば、特許文献1に記載の二酸化炭素の吸着剤は、リチウム複合酸化物による二酸化炭素の吸着脱離特性を利用したものである。
Conventionally, a carbon dioxide adsorbent has been used to separate and recover carbon dioxide contained in exhaust gas. For example, the carbon dioxide adsorbent described in
しかしながら、従来の二酸化炭素の吸着剤では、特に車両に搭載した場合の十分な検討がなされておらず、内燃機関から排出される排気中に含まれる二酸化炭素を十分に分離回収できていないのが現状であった。 However, conventional carbon dioxide adsorbents have not been sufficiently studied especially when mounted on a vehicle, and carbon dioxide contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine cannot be sufficiently separated and recovered. It was the current situation.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、車両に搭載可能で内燃機関の排気中に含まれる二酸化炭素を十分に分離回収できる二酸化炭素分離回収装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a carbon dioxide separation and recovery device that can be mounted on a vehicle and can sufficiently separate and recover carbon dioxide contained in the exhaust gas of an internal combustion engine.
(1) 内燃機関(例えば、後述のエンジン1)の排気中に含まれる二酸化炭素を分離して回収する二酸化炭素分離回収装置であって、リチウム複合酸化物からなるリチウム複合酸化物層(例えば、後述のリチウム複合酸化物層34)を有する二酸化炭素分離構造体(例えば、後述の二酸化炭素分離構造体30)と、前記二酸化炭素分離構造体に排気を導く第1流路(例えば、後述の第1流路310)及び該第1流路を開閉する第1弁(例えば、後述の第1弁320)と、前記二酸化炭素分離構造体で分離された二酸化炭素と脱二酸化炭素排気を導く第2流路(例えば、後述の第2流路350)及び該第2流路の流量を調整する第2弁(例えば、後述の第2弁340)と、前記第2流路から脱二酸化炭素排気を導く第3流路(例えば、後述の第3流路360)及び該第3流路を開閉する第3弁(例えば、後述の第3弁370)と、前記第2流路から二酸化炭素を導く第4流路(例えば、後述の第4流路380)及び該第4流路を開閉する第4弁(例えば、後述の第4弁390)と、を有する二酸化炭素分離機構(例えば、後述の二酸化炭素分離機構300)と、前記第1弁を開いて前記第2弁を絞るとともに、前記第3弁を開いて前記第4弁を閉じることにより、排気中に含まれる二酸化炭素を前記リチウム複合酸化物層に吸着させる第1工程と、前記第1弁を閉じて前記第2弁を開くとともに、前記第3弁を開いて前記第4弁を閉じることにより、脱二酸化炭素排気を前記第3流路で導いて放出する第2工程と、前記第1弁を閉じて前記第2弁を開くとともに、前記第3弁を閉じて前記第4弁を開き、かつ前記リチウム複合酸化物層を昇温させることにより、前記リチウム複合酸化物層から二酸化炭素を脱離させて前記第4流路で導いて回収する第3工程と、前記第1弁を閉じて前記第2弁を開くとともに、前記第3弁を閉じて前記第4弁を開き、かつ前記リチウム複合酸化物層を降温させる第4工程と、をこの順に繰り返し実行するように前記二酸化炭素分離機構を制御する制御部(例えば、後述の制御部9)と、を備える、二酸化炭素分離回収装置(例えば、後述の二酸化炭素分離回収装置3)を提供する。
(1) A carbon dioxide separation / recovery device that separates and recovers carbon dioxide contained in the exhaust of an internal combustion engine (for example,
(1)の二酸化炭素分離回収装置では、二酸化炭素分離機構を構成する第1弁320、第2弁340、第3弁370及び第4弁390を制御することにより、排気中の二酸化炭素をリチウム複合酸化物層に吸着させる第1工程と、脱二酸化炭素排気を放出する第2工程と、リチウム複合酸化物層を昇温させてリチウム複合酸化物層から二酸化炭素を脱離させて回収する第3工程と、リチウム複合酸化物層を降温させる第4工程と、の4つの工程をこの順に繰り返し実行する構成とする。これにより、二酸化炭素の吸着脱離特性を有するリチウム複合酸化物層による、二酸化炭素の選択的化学吸着、分離、そして回収を効率良く行うことができる。また、リチウム複合酸化物層を用いるため装置を小型化することもできる。従って、(1)の発明によれば、車両に搭載可能で内燃機関の排気中に含まれる二酸化炭素を十分に分離回収できる二酸化炭素分離回収装置を提供できる。
In the carbon dioxide separation / recovery device (1), the carbon dioxide in the exhaust is lithium by controlling the
(2) (1)の二酸化炭素分離回収装置において、前記二酸化炭素分離機構は、少なくとも4つ設けられて並列配置され、前記制御部は、少なくとも4つの前記二酸化炭素分離機構間において、前記4つの工程の実行タイミングをずらすことで、常にいずれかの前記二酸化炭素分離機構が前記第1工程を実行するように、前記二酸化炭素分離機構の各々を制御してよい。 (2) In the carbon dioxide separation and recovery device of (1), at least four carbon dioxide separation mechanisms are provided and arranged in parallel, and the control unit is provided among the four carbon dioxide separation mechanisms among at least four carbon dioxide separation mechanisms. By shifting the execution timing of the steps, each of the carbon dioxide separation mechanisms may be controlled so that any of the carbon dioxide separation mechanisms always executes the first step.
(2)の二酸化炭素分離回収装置では、少なくとも4つの二酸化炭素分離機構間において、4つの工程の実行タイミングをずらすことで、常にいずれかの二酸化炭素分離機構が第1工程を実行するように制御する。これにより、内燃機関から排出される排気を常にいずれかの二酸化炭素分離機構に導入することができ、二酸化炭素の連続的な分離、回収が可能である。従って(2)の発明によれば、連続的な二酸化炭素の分離、回収が求められる車両搭載用として好ましく用いることができる。 In the carbon dioxide separation / recovery device (2), by shifting the execution timing of the four steps among at least four carbon dioxide separation mechanisms, it is controlled so that one of the carbon dioxide separation mechanisms always executes the first step. do. As a result, the exhaust gas discharged from the internal combustion engine can always be introduced into one of the carbon dioxide separation mechanisms, and carbon dioxide can be continuously separated and recovered. Therefore, according to the invention of (2), it can be preferably used for vehicle mounting where continuous separation and recovery of carbon dioxide are required.
(3) (1)又は(2)の二酸化炭素分離回収装置において、前記二酸化炭素分離回収装置は、前記第1流路の上流側に設けられて前記第1流路内に正圧を付加する圧縮機(例えば、後述の圧縮機17)を備えてよい。
(3) In the carbon dioxide separation / recovery device of (1) or (2), the carbon dioxide separation / recovery device is provided on the upstream side of the first flow path and applies a positive pressure to the first flow path. A compressor (for example, a
(3)の二酸化炭素分離回収装置では、圧縮機を備える構成とする。これにより、圧縮機によって第1流路内に正圧を付加することができるため、内燃機関から排出される排気に対して、二酸化炭素分離機構への供給圧を付加することができ、より効率良く二酸化炭素を分離回収できる。 The carbon dioxide separation and recovery device (3) is configured to include a compressor. As a result, a positive pressure can be applied to the first flow path by the compressor, so that the supply pressure to the carbon dioxide separation mechanism can be applied to the exhaust gas discharged from the internal combustion engine, which is more efficient. Carbon dioxide can be separated and recovered well.
(4) (1)から(3)いずれかの二酸化炭素分離回収装置において、前記二酸化炭素分離機構は、前記第2流路内に負圧を付加する膨張機(例えば、後述の膨張機18)を有してよい。
(4) In any of the carbon dioxide separation and recovery devices (1) to (3), the carbon dioxide separation mechanism is an expander that applies negative pressure to the second flow path (for example, an
(4)の二酸化炭素分離回収装置では、二酸化炭素分離機構が膨張機を有する構成とする。これにより、膨張機による吸引によって第2流路内に負圧を付加することができるため、リチウム複合酸化物層に吸着している二酸化炭素を積極的に脱離させることができる。 In the carbon dioxide separation / recovery device of (4), the carbon dioxide separation mechanism has an expander. As a result, a negative pressure can be applied to the second flow path by suction by the expander, so that carbon dioxide adsorbed on the lithium composite oxide layer can be positively desorbed.
(5) (1)から(4)いずれかの二酸化炭素分離回収装置において、前記二酸化炭素分離構造体は、不純物がドープされることで通電により発熱するシリコン薄膜基板(例えば、後述のシリコン薄膜基板32)と、前記シリコン薄膜基板上に設けられる前記リチウム複合酸化物層(例えば、後述のリチウム複合酸化物層34)と、を有する薄膜層(例えば、後述の薄膜層35)を備えてよい。
(5) In any of the carbon dioxide separation and recovery devices (1) to (4), the carbon dioxide separation structure is a silicon thin film substrate that generates heat by energization due to doping with impurities (for example, a silicon thin film substrate described later). A thin film layer (for example, a
(5)の二酸化炭素分離回収装置では、二酸化炭素分離構造体が、不純物がドープされることで通電により発熱するシリコン薄膜基板と、リチウム複合酸化物層と、を有する薄膜層を備える構成とする。これにより、二酸化炭素の吸着脱離特性を有するリチウム複合酸化物が、熱容量が極めて小さい薄膜として構成されるため、小型化できるとともに、温度依存性を有する二酸化炭素の吸着脱離反応において極めて速い応答性が得られ、二酸化炭素の吸着及び脱離を効率良く行うことができる。また、不純物がドープされて通電により瞬間的に昇温するシリコン薄膜基板を備えるため、二酸化炭素分離構造体の急速加熱が可能であり、薄膜のため自然急冷も可能であることから、温度依存性を有する二酸化炭素の吸着及び脱離をより効率良く行うことができる。従って、(5)の二酸化炭素分離回収装置によれば、車両に搭載可能で内燃機関の排気中に含まれる二酸化炭素を十分に分離回収できる。 In the carbon dioxide separation / recovery device (5), the carbon dioxide separation structure is configured to include a thin film layer having a silicon thin film substrate that generates heat by energization due to doping with impurities and a lithium composite oxide layer. .. As a result, the lithium composite oxide having carbon dioxide adsorption / desorption characteristics is formed as a thin film having an extremely small heat capacity, so that it can be miniaturized and has an extremely fast response in the temperature-dependent adsorption / desorption reaction of carbon dioxide. Properties can be obtained, and carbon dioxide can be efficiently adsorbed and desorbed. In addition, since it is provided with a silicon thin film substrate that is doped with impurities and instantaneously heats up by energization, it is possible to rapidly heat the carbon dioxide separation structure, and because it is a thin film, it is also possible to quench naturally, so it is temperature dependent. It is possible to more efficiently adsorb and desorb carbon dioxide having. Therefore, according to the carbon dioxide separation / recovery device of (5), carbon dioxide that can be mounted on a vehicle and contained in the exhaust gas of an internal combustion engine can be sufficiently separated and recovered.
本発明によれば、車両に搭載可能で内燃機関の排気中に含まれる二酸化炭素を十分に分離回収できる二酸化炭素分離回収装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a carbon dioxide separation / recovery device that can be mounted on a vehicle and can sufficiently separate and recover carbon dioxide contained in the exhaust gas of an internal combustion engine.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態に係る二酸化炭素分離回収装置(以下、CO2回収装置)は、小型かつ軽量であるため車両に搭載可能であり、内燃機関の排気中に含まれる二酸化炭素を十分に分離できるものである。そのため、以下、二酸化炭素を分離、回収して再利用するカーボンリサイクルシステムを搭載した車両に適用した例を挙げて、本実施形態に係るCO2回収装置を説明する。 The carbon dioxide separation and recovery device (hereinafter referred to as CO 2 recovery device) according to the present embodiment can be mounted on a vehicle because it is small and lightweight, and can sufficiently separate carbon dioxide contained in the exhaust gas of an internal combustion engine. be. Therefore, the CO 2 recovery device according to the present embodiment will be described below with reference to an example applied to a vehicle equipped with a carbon recycling system that separates, recovers, and reuses carbon dioxide.
図1は、本実施形態に係るカーボンリサイクルシステムSを搭載した車両Vの構成を示す図である。車両Vは、液体の炭化水素燃料を燃焼させることによって発生する熱エネルギを機械エネルギに変換する内燃機関1(以下、「エンジン」という)を備え、このエンジン1によって得られた機械エネルギを利用して駆動輪(図示せず)を駆動することにより走行する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a vehicle V equipped with a carbon recycling system S according to the present embodiment. The vehicle V is equipped with an internal combustion engine 1 (hereinafter referred to as “engine”) that converts thermal energy generated by burning liquid hydrocarbon fuel into mechanical energy, and utilizes the mechanical energy obtained by this
車両Vは、エンジン1と、エンジン1に燃料を供給する燃料供給装置2と、エンジン1の排気管16を流れる排気から二酸化炭素(CO2)を回収するCO2回収装置3と、排気管16を流れる排気を浄化する排気浄化装置4と、CO2回収装置3によって回収された二酸化炭素から含メタノール(CH3OH)の合成ガスを生成するリアクタ5と、リアクタ5に水素(H2)を供給する水素供給装置6と、リアクタ5から排出される合成ガスからメタノールを回収する凝縮器7と、を備える。なお、CO2回収装置3と、リアクタ5と、水素供給装置6と、凝縮器7とにより、カーボンリサイクルシステムSが構成される。
The vehicle V includes an
エンジン1は、例えば、複数の気筒と、各気筒内に往復動自在に設けられたピストンと、各気筒内においてピストンによって区画された燃焼室に設けられた点火プラグと、ピストンの往復運動によって回転するクランクシャフトと、を備える多気筒レシプロエンジンである。これら点火プラグは、図示しない制御装置からの指令に応じて点火し、各気筒内に供給された燃料と空気の混合気を燃焼させる。
The
吸気管15は、エンジン1の各気筒に連通する吸気ポートと車外とを接続し、車外の空気を各気筒へ導く配管である。排気管16は、エンジン1の各気筒に連通する排気ポートと車外とを接続する配管である。排気管16には、排気上流側から下流側へ向かって順に、排気浄化装置4と、CO2回収装置3と、が設けられている。エンジン1の各気筒内で混合気を燃焼させることによって生じる排気は、排気浄化装置4、及びCO2回収装置3を経て、車外に排出される。
The
燃料供給装置2は、燃料を貯留する燃料タンク20と、エンジン1の各気筒に連通する吸気ポートに設けられた燃料噴射弁21と、燃料タンク20と燃料噴射弁21とを接続する燃料供給管24と、を備える。
The
燃料タンク20は、ガソリン、メタノール、又はこれらガソリンとメタノールとを混合した混合燃料等の液体の炭化水素燃料を貯留する。燃料供給管24は、燃料タンク20内に貯留されている燃料を図示しない高圧ポンプによって圧縮し、燃料噴射弁21に供給する。燃料噴射弁21は、図示しない制御装置からの指令に応じて開弁し、燃料供給管24から供給される燃料を噴射する。燃料噴射弁21から噴射される燃料と吸気管15から供給される空気とを混合した混合気は、エンジン1の各気筒内に供給される。
The
排気浄化装置4は、排気浄化触媒(例えば、三元触媒)を備え、この排気浄化触媒の作用下で、エンジン1の排気に含まれる未燃炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、及び窒素酸化物(NOx)等を浄化する。
The
CO2回収装置3は、CO2配管31によってリアクタ5と接続されている。CO2回収装置3は、排気管16を流れる排気から二酸化炭素を回収し、CO2配管31を介してリアクタ5に供給する。より具体的には、CO2回収装置3は、排気管16を流れる排気を、二酸化炭素を主成分とする回収ガスと、窒素(N2)を主成分とする脱CO2排ガスとに分離し、回収ガスをCO2配管31へ排出し、脱CO2排ガスを図示しないテールパイプを介して車外へ排出する。
The CO 2 recovery device 3 is connected to the
CO2回収装置3は、排気管16を流れる排気中の二酸化炭素を選択的に透過させる二酸化炭素分離構造体を有する二酸化炭素分離機構を備える。CO2回収装置3は、この二酸化炭素分離機構を用いることによって、エンジン1の排気を回収ガスと脱CO2排ガスとに分離する。このCO2回収装置3及び二酸化炭素分離構造体の詳細については、後段で詳しく説明する。
The CO 2 recovery device 3 includes a carbon dioxide separation mechanism having a carbon dioxide separation structure that selectively permeates carbon dioxide in the exhaust gas flowing through the
水素供給装置6は、高圧の水素を貯留する高圧H2タンク61と、高圧H2タンク61とリアクタ5とを接続するH2配管63と、H2配管63に設けられたレギュレータ64と、を備える。レギュレータ64は、高圧H2タンク61内に貯留された水素を所定圧まで減圧し、H2配管63を介してリアクタ5に供給する。
Hydrogen supply device 6 includes a high pressure H 2 tank 61 for storing high-pressure hydrogen, with H 2
なお、本実施形態の水素供給装置6は、高圧H2タンク61に貯留された水素をリアクタ5に供給する場合に限られない。水素供給装置6は、例えば電解装置によって水から生成した水素をリアクタ5に供給する構成としてもよく、アンモニアから生成した水素をリアクタ5に供給する構成としてもよい。
The hydrogen supply device 6 of the present embodiment is not limited to the case of supplying hydrogen stored in the high-pressure H 2 tank 61 to
リアクタ5は、CO2配管31から供給される回収ガスに含まれる二酸化炭素とH2配管63から供給される水素とを反応筒内において所定比で水素化反応させることにより、二酸化炭素を還元するとともにメタノールを合成する。
The
より具体的には、リアクタ5は、CO2配管31から供給される回収ガスが導入される反応筒と、H2配管63から供給される水素を反応筒内に噴射するH2インジェクタと、この反応筒内に設けられた二酸化炭素還元触媒と、反応筒内のガスを昇温する加熱装置と、反応筒内のガスを圧縮する圧縮装置と、反応筒と凝縮器7とを接続する合成ガス配管51と、を備える。
More specifically, the
二酸化炭素還元触媒は、二酸化炭素及び水素の存在下において二酸化炭素を還元するとともにメタノールを生成する二酸化炭素の水素化反応を促進する。二酸化炭素還元触媒としては、例えば銅−亜鉛酸化物系触媒等の既知のものが用いられる。 The carbon dioxide reduction catalyst reduces carbon dioxide in the presence of carbon dioxide and hydrogen and promotes the hydrogenation reaction of carbon dioxide that produces methanol. As the carbon dioxide reduction catalyst, a known catalyst such as a copper-zinc oxide catalyst is used.
加熱装置は、エンジン1の廃熱、すなわちエンジン1において燃料を燃焼させることによって発生する熱エネルギの一部を利用して反応筒内のガスを、上記二酸化炭素の水素化反応を進行させるために必要な温度まで昇温する。圧縮装置は、エンジン1において燃料を燃焼させることによって得られる機械エネルギの一部、より具体的にはエンジン1のクランクシャフトの動力を利用して反応筒内のガスを、上記メタノール合成反応を進行させるために必要な圧力になるまで圧縮する。
The heating device uses the waste heat of the
以上のようなリアクタ5では、CO2配管31から反応筒内に回収ガスを所定量導入するとともに、反応筒内における二酸化炭素と水素の比が所定比になるように計量した水素をH2インジェクタから反応筒内に噴射し、さらに加熱装置及び圧縮装置によって反応筒内のガスを昇温、圧縮する。これにより、反応筒内では二酸化炭素還元触媒の作用下で、二酸化炭素の水素化反応(下記式(1)参照)が進行し、メタノールが生成される。また同時に、この二酸化炭素還元触媒の作用により、逆水性ガスシフト反応(下記式(2)参照)、及び一酸化炭素の水素化反応(下記式(3)参照)も進行し、メタノールを含む合成ガスが生成される。
CO2+3H2→CH3OH+H2O (1)
CO2+H2→CO+H2O (2)
CO+2H2→CH3OH (3)
In the
CO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O (1)
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O (2)
CO + 2H 2 → CH 3 OH (3)
以上のような手順によって反応筒内で生成された合成ガスは、合成ガス配管51を介して凝縮器7に供給される。合成ガス配管51から排出される合成ガスは、上記メタノール合成反応によって生成されるメタノールの他、未反応の二酸化炭素や、CO2回収装置3において分離しきれずに回収ガスに混入した窒素等を含む。
The synthetic gas generated in the reaction cylinder by the above procedure is supplied to the condenser 7 via the
凝縮器7は、リアクタ5から供給される合成ガスからメタノールを回収し、これを燃料タンク20に供給する。より具体的には、凝縮器7は、リアクタ5から排出される合成ガスを熱交換によって凝縮することにより、メタノールを主成分とする液相と未反応の二酸化炭素及び窒素を主成分とする気相とに分離し、液相を液相ポートから排出し、気相を気相ポートから排出する。
The condenser 7 recovers methanol from the syngas supplied from the
凝縮器7の液相ポートと燃料タンク20とは、液相配管71によって接続されている。従って凝縮器7の液相ポートから排出される液相は、液相配管71によって燃料タンク20内に導かれる。また凝縮器7の気相ポートと排気管16のうち排気浄化装置4とCO2回収装置3との間とは、気相配管72によって接続されている。従って凝縮器7の気相ポートから排出される気相は、気相配管72によってCO2回収装置3へ導かれる。
The liquid phase port of the condenser 7 and the
以上のようなカーボンリサイクルシステムSが搭載された車両Vにおける炭素の流れについて説明する。始めに燃料タンク20内に貯留されている炭化水素燃料と吸気管15から導入した空気との混合気をエンジン1において燃焼させると、窒素と二酸化炭素と水とを主成分とする排気がエンジン1から排出される。またこの排気中の二酸化炭素は、CO2回収装置3によって回収され、リアクタ5に供給される。リアクタ5では、二酸化炭素と水素とを反応させることによって含メタノールの合成ガスが生成される。この合成ガス中のメタノールは、凝縮器7によって回収され、燃料として燃料タンク20に貯留される。また合成ガスに含まれる未反応の二酸化炭素は、再びCO2回収装置3によって回収され、リアクタ5に供給される。このようにカーボンリサイクルシステムSが搭載された車両Vは、外気から二酸化炭素を取り込みながら、炭素を燃料タンク20とエンジン1とCO2回収装置3とリアクタ5と凝縮器7とで循環させることにより、テールパイプから車外への二酸化炭素排出量を削減する。
The flow of carbon in the vehicle V equipped with the carbon recycling system S as described above will be described. First, when the mixture of the hydrocarbon fuel stored in the
次に、図2を用いて、CO2回収装置3の構成について詳しく説明する。図2は、CO2回収装置3の構成を示すブロック図である。図2に示されるように、CO2回収装置3は、圧縮機17と、少なくとも4列配置された二酸化炭素分離機構300と、これら圧縮機17や二酸化炭素分離機構300を制御する制御部9と、を備えている。
Next, the configuration of the CO 2
圧縮機17は、エンジン1から排出され二酸化炭素を含有する排気を圧縮して、少なくとも4列の二酸化炭素分離機構300のいずれかに供給する。すなわち、この圧縮機17により、二酸化炭素分離機構300に対する排気の供給圧が付加される。
The
少なくとも4列の二酸化炭素分離機構300は、それぞれ、圧縮機17で圧縮された排気を、後述のリチウム複合酸化物層34による二酸化炭素の吸着脱離反応によって、排気中に含まれる二酸化炭素を分離する。これら少なくとも4列の二酸化炭素分離機構300は、1個の圧縮機17に対して並列に設けられており、制御部9によって、互いにタイミングをずらして制御される。
Each of the carbon
具体的に、二酸化炭素分離機構300は、二酸化炭素分離構造体30と、第1流路310と、第1弁320と、第2流路350と、第2弁340と、第3流路360と、第3弁370と、第4流路380と、第4弁390と、膨張機18と、を有している。
Specifically, the carbon
ここで、図3及び図4を用いて、二酸化炭素分離構造体30の構成について詳しく説明する。図3は、二酸化炭素分離構造体30の構成を示す斜視図である。図4は、二酸化炭素分離構造体30を構成する薄膜層35の拡大図である。具体的に図4は、図3のX方向から薄膜層35を視たときの拡大図である。
Here, the configuration of the carbon
二酸化炭素分離構造体30は、上述したようにCO2回収装置3が備える4列構成の二酸化炭素分離機構300内に設けられる。二酸化炭素分離構造体30は、例えば直方体状に形成され、その長手方向が排気の流れ方向に沿うように配置される。このような二酸化炭素分離構造体30は、直方体形状を有する積層体36を、複数(例えば、5×5)並列配置させることで構成される。配列のパターン、すなわち縦の積層体36の数と横の積層体の数は特に限定されず、排気の流量等に応じて種々の配列パターンを採用できる。
As described above, the carbon
積層体36は、複数の薄膜層35が隙間を有して所定方向に積層されることにより構成される。図4に示されるように、薄膜層35は、排気の流れ方向(図4のX方向)に直交する方向に、隣接する薄膜層35同士が互いに隙間を有して積層されている。複数の隙間は等間隔であることが好ましく、排気が十分流入できる程度の隙間であればよいが、あまり隙間が広いとガスと積層体との接触確率が低下してしまうので、隙間のサイズは排気流入抵抗があまり大きくならない範囲でなるべく小さい値に設定する。
The
薄膜層35は、不純物がドープされることで通電により発熱するシリコン薄膜基板32と、シリコン薄膜基板32上に設けられ、リチウム複合酸化物からなるリチウム複合酸化物層34と、を有する。好ましくは、図5に示されるように、シリコン薄膜基板32とリチウム複合酸化物層34との間に、シリカからなるシリカ層33が設けられる。より好ましくは、シリコン薄膜基板32の両面に、該シリコン薄膜基板32側から順に、シリカ層33と、リチウム複合酸化物層34が積層されて構成される。これにより、薄膜層35の両面にリチウム複合酸化物層34が配置されるため、反応表面積の大面積化が可能となっている。薄膜層35の膜厚は、熱容量を小さくするためになるべく小さくしたいが、製造プロセスで実現できる薄膜層の厚さは十分に薄いので、薄膜層35で構成される構造物である二酸化炭素分離構造体30の強度が維持される範囲でなるべく薄くする。例えば、10μm等である。
The
シリコン薄膜基板32としては、例えば、シリコン単結晶薄膜基板に不純物をドープしたp型のシリコン薄膜基板を用いることができる。このようなシリコン薄膜基板32は、上述の制御部9による通電により瞬間的に昇温する特性を有する。また、本実施形態のシリコン薄膜基板32は薄膜であるため、熱容量が小さいことから急速加熱、自然急冷が可能である。
As the silicon
リチウム複合酸化物層34としては、例えば、Li4SiO4薄膜層を用いることができる。このようなリチウム複合酸化物は、二酸化炭素の吸着脱離特性を有し、かかる二酸化炭素の吸着脱離は温度に依存する。具体的に所定温度以下では、排気中の二酸化炭素を化学吸着により選択的に吸着し、所定温度を超えると、吸着していた二酸化炭素を脱離して放出する。リチウム複合酸化物層34の膜厚は、隣接する薄膜層35同士が有する隙間の大きさよりも十分小さい値、かつ二酸化炭素分子の大きさよりも十分大きい値であればよく、すなわち、例えば0.1μm〜5μmであり、例えば1μmの膜厚とすることができる。
As the lithium
リチウム複合酸化物層34は、一般的に入手できるSi基板を薄くスライスし、その上にLi2CO3(炭酸リチウム微粉末:融点723℃)を例えばエタノールで溶いて薄く塗布し、酸素存在下で加熱して直接反応させ、SiO2膜とLi4SiO4層を同時に形成することができる。Li4SiO4膜厚は、膜生成時の酸素の濃度に依存するため、制御可能であある。
The lithium
シリカ層33としては、例えば、シリカの単結晶薄膜を用いることができる。このシリカ層33は、通電されるシリコン薄膜基板32からリチウム複合酸化物層34を絶縁する。シリカ層33は、従来公知の半導体プロセスにより形成される。
As the
以上の構成を備える二酸化炭素分離構造体30は、圧縮機17で圧縮され、第1流路310を介して圧縮機17から供給された排気に対して、リチウム複合酸化物層34による二酸化炭素の吸着脱離反応によって、排気中に含まれる二酸化炭素を分離する。また、二酸化炭素分離構造体30は、分離した二酸化炭素を主成分とする回収ガスを、第2流路350及び第4流路380を介してエンジン1に供給する。また、二酸化炭素分離構造体30は、排気から二酸化炭素が分離された窒素(N2)を主成分とする脱CO2排ガスを、第2流路350及び第3流路360を介して大気に排出する。
The carbon
図2に戻って、第1流路310は、圧縮機17及び二酸化炭素分離構造体30を接続する。この第1流路310は、圧縮機17で圧縮された排気を、二酸化炭素分離構造体30に供給する。すなわち、第1流路310は、二酸化炭素分離構造体30に二酸化炭素を含む排気を導く。
Returning to FIG. 2, the
第1弁320は、第1流路310に設けられ、該第1流路310を開閉する。これにより、二酸化炭素分離機構300への排気の流入が制御される。なお、この第1弁320の上流側の第1流路310は少なくとも4つの分岐流路に分岐しており、少なくとも4列配置されている各二酸化炭素分離機構300にそれぞれ接続されている。これにより、各二酸化炭素分離機構300への排気の供給が可能となっている。
The
第2流路350は、二酸化炭素分離構造体30及び第3流路360を接続するとともに、二酸化炭素分離構造体30及び第4流路380を接続する。この第2流路350は、二酸化炭素分離構造体30で分離した二酸化炭素を第4流路380を経由してエンジン1に供給し、脱CO2排ガスを第3流路360を経由して大気に排出する。
The
第2弁340は、第2流路350に設けられ、該第2流路350の流量を調整する。すなわち、第2弁340は、二酸化炭素分離構造体30の背圧を調整する。
The
第3流路360は、二酸化炭素分離構造体30で分離されて第2流路350を経由した脱CO2排ガスを、大気に放出する。すなわち、第3流路360は、第2流路350から脱CO2排ガスを導く。
The third flow path 360 releases the de-CO 2 exhaust gas separated by the carbon
第3弁370は、第3流路360に設けられ、該第3流路360を開閉する。これにより、脱CO2排ガスの排気への放出が制御される。
The
第4流路380は、二酸化炭素分離構造体30で分離されて第2流路350を経由した二酸化炭素を、エンジン1に供給する。すなわち、第4流路380は、第2流路350から二酸化炭素を導く。
The
第4弁390は、第4流路380に設けられ、該第4流路380を開閉する。これにより、二酸化炭素の回収及びエンジン1への供給が制御される。
The
膨張機18は、第2流路350における第2弁340の下流側に設けられ、第2流路350内に負圧を付加する。すなわち、この膨張機18により、二酸化炭素分離機構300で分離された二酸化炭素の回収が可能となっている。
The
なお、二酸化炭素分離機構300は、少なくとも4列配置される。これは、後述するように二酸化炭素分離機構300では、二酸化炭素を分離する処理工程として4工程が必要であることから、4工程を同時進行させるためには少なくとも4列の二酸化炭素分離機構300が必要であることによる。
The carbon
制御部9は、上述の圧縮機17、第1弁320、第2弁340、膨張機18、第3弁370、第4弁390を制御して、いずれも後述する第1工程と、第2工程と、第3工程と、第4工程と、の4つの工程を順に繰り返すように、二酸化炭素分離機構300を制御する。制御部9は、少なくとも4列の二酸化炭素分離機構300の各々の4つの工程のタイミングをずらして実行させる。これにより、常にいずれかの二酸化炭素分離機構300が第1工程を実行中であり、排気の連続的処理が可能となっている。
The
ここで、図5を参照して、CO2回収装置3の動作について詳しく説明する。図5は、CO2回収装置の動作を説明するための図であり、(A)は第1工程の状態を示し、(B)は第2工程の状態を示し、(C)は第3工程の状態を示し、(D)は第4工程の状態を示す。図5中、白く表示された弁は開いた状態を表しており、黒く表示された弁は絞られた状態又は閉じられた状態を表している。
Here, the operation of the CO 2
図5の(A)に示される第1工程は、二酸化炭素分離構造体30に排気を供給し、リチウム複合酸化物層34による二酸化炭素の吸着を行う工程である。この第1工程では、第1弁320を開いて第2弁340を絞るとともに、第3弁370を開いて第4弁390を閉じる。これにより、圧縮機17で圧縮された排気が第1流路310を介して二酸化炭素分離構造体30に供給され、排気中に含まれる二酸化炭素がリチウム複合酸化物層34に吸着されて分離される。
The first step shown in FIG. 5A is a step of supplying exhaust gas to the carbon
図5の(B)に示される第2工程は、二酸化炭素分離構造体30から脱CO2排ガスを大気に放出する工程である。この第2工程では、第1弁320を閉じて第2弁340を開くとともに、第3弁370を開いて第4弁390を閉じる。これにより、排気中から二酸化炭素が分離された脱CO2排ガスが、第3流路360を通って大気に放出される。なお、この第2工程では第1弁320は閉じているため、エンジン1から排出される排気は第1流路310の分岐流路を通って、上記の第1工程を実行中である他の二酸化炭素分離機構300に供給されるようになっている。
The second step shown in FIG. 5B is a step of releasing the CO 2 exhaust gas from the carbon
図5の(C)に示される第3工程は、二酸化炭素分離構造体30を急速加熱することにより、二酸化炭素分離構造体30から二酸化炭素を脱離させて回収する工程である。この第3工程では、第1弁320を閉じて第2弁340を開くとともに、第3弁370を閉じて第4弁390を開き、膨張機18により吸引して第2流路350内に負圧を付加する。同時に、二酸化炭素分離構造体30の薄膜層35を構成する後述のシリコン薄膜基板32を通電することにより、瞬間的に昇温する。これにより、リチウム複合酸化物層34から脱離した二酸化炭素は、膨張機18による吸引によって第2流路350内への負圧の付加に伴い、第2流路350及び第4流路380を介してエンジン1に供給される。なお、この第3工程では、第2工程と同様に第1弁320は閉じているため、エンジン1から排出される排気は第1流路310の分岐流路を通って、上記の第1工程を実行中である他の二酸化炭素分離機構300に供給されるようになっている。
The third step shown in FIG. 5C is a step of desorbing and recovering carbon dioxide from the carbon
図5の(D)に示される第4工程は、二酸化炭素分離構造体30を自然に急冷させる工程である。この第4工程では、第1弁320を閉じて第2弁340を開くとともに、第3弁370を閉じて第4弁390を開く。このとき、リチウム複合酸化物層34は薄膜で熱容量が小さいため、自然に急冷が可能となっている。リチウム複合酸化物層34の温度が十分降下するまでの間、第3工程に引き続いてリチウム複合酸化物層34から二酸化炭素が脱離し、脱離した二酸化炭素は第2流路350及び第4流路380を介してエンジン1に供給される。この第4工程でリチウム複合酸化物層34が降温されることにより、次回の第1工程で二酸化炭素を再び吸着することが可能となる。なお、この第4工程では、第2工程及び第3工程と同様に第1弁320は閉じているため、エンジン1から排出される排気は第1流路310の分岐流路を通って、上記の第1工程を実行中である他の二酸化炭素分離機構300に供給されるようになっている。
The fourth step shown in FIG. 5D is a step of naturally quenching the carbon
上記の4つの工程は、制御部9による制御により繰り返し実行される。上述したように、制御部9は、少なくとも4列の二酸化炭素分離機構300の各々の4つの工程のタイミングをずらして実行させることで、二酸化炭素分離の連続的処理を可能としている。
The above four steps are repeatedly executed under the control of the
具体的に制御部9は、1つ目の二酸化炭素分離機構300が第1工程を実行しているときには、2つ目の二酸化炭素分離機構300が第2工程を実行し、3つ目の二酸化炭素分離機構300が第3工程を実行し、4つ目の二酸化炭素分離機構300が第4工程を実行するように、各二酸化炭素分離機構300を制御する。
Specifically, in the
また、制御部9は、1つ目の二酸化炭素分離機構300が第2工程を実行しているときには、2つ目の二酸化炭素分離機構300が第3工程を実行し、3つ目の二酸化炭素分離機構300が第4工程を実行し、4つ目の二酸化炭素分離機構300が第1工程を実行するように、各二酸化炭素分離機構300を制御する。
Further, in the
また、制御部9は、1つ目の二酸化炭素分離機構300が第3工程を実行しているときには、2つ目の二酸化炭素分離機構300が第4工程を実行し、3つ目の二酸化炭素分離機構300が第1工程を実行し、4つ目の二酸化炭素分離機構300が第2工程を実行するように、各二酸化炭素分離機構300を制御する。
Further, in the
また、制御部9は、1つ目の二酸化炭素分離機構300が第4工程を実行しているときには、2つ目の二酸化炭素分離機構300が第1工程を実行し、3つ目の二酸化炭素分離機構300が第2工程を実行し、4つ目の二酸化炭素分離機構300が第3工程を実行するように、各二酸化炭素分離機構300を制御する。
Further, in the
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態のCO2回収装置3では、二酸化炭素分離機構300を構成する第1弁320、第2弁340、第3弁370及び第4弁390を制御することにより、排気中の二酸化炭素をリチウム複合酸化物層34に吸着させる第1工程と、脱二酸化炭素排気を放出する第2工程と、リチウム複合酸化物層34を昇温させてリチウム複合酸化物層から二酸化炭素を脱離させて回収する第3工程と、リチウム複合酸化物層34を降温させる第4工程と、の4つの工程をこの順に繰り返し実行する構成とした。これにより、二酸化炭素の吸着脱離特性を有するリチウム複合酸化物層34による、二酸化炭素の選択的化学吸着、分離、そして回収を効率良く行うことができる。また、リチウム複合酸化物層34を用いるため装置を小型化することもできる。従って、本実施形態のCO2回収装置3によれば、車両Vに搭載可能でエンジン1の排気中に含まれる二酸化炭素を十分に分離回収できる。
According to this embodiment, the following effects are achieved.
In the CO 2
また、本実施形態のCO2回収装置3では、少なくとも4つの二酸化炭素分離機構300間において、4つの工程の実行タイミングをずらすことで、常にいずれかの二酸化炭素分離機構300が第1工程を実行するように制御した。これにより、エンジン1から排出される排気を常にいずれかの二酸化炭素分離機構300に導入することができ、二酸化炭素の連続的な分離、回収が可能である。従って、本実施形態のCO2回収装置3によれば、連続的な二酸化炭素の分離、回収が求められる車両搭載用として好ましく用いることができる。
Further, in the CO 2 recovery device 3 of the present embodiment, by shifting the execution timing of the four steps among at least four carbon
また、本実施形態のCO2回収装置3では、圧縮機17を備える構成とした。これにより、圧縮機17によって第1流路310内に正圧を付加することができるため、エンジン1から排出される排気に対して、二酸化炭素分離機構300への供給圧を付加することができ、より効率良く二酸化炭素を分離回収できる。
Further, the CO 2
また、本実施形態のCO2回収装置3では、二酸化炭素分離機構300が膨張機18を有する構成とした。これにより、膨張機18による吸引によって第2流路350内に負圧を付加することができるため、リチウム複合酸化物層34に吸着している二酸化炭素を積極的に脱離させることができる。
Further, in the CO 2 recovery device 3 of the present embodiment, the carbon
また、本実施形態の二酸化炭素分離構造体30では、不純物がドープされることで通電により発熱するシリコン薄膜基板32と、リチウム複合酸化物層34と、を有する薄膜層35を備える構成とした。これにより、二酸化炭素の吸着脱離特性を有するリチウム複合酸化物が、熱容量が極めて小さい薄膜として構成されるため、小型化できるとともに、温度依存性を有する二酸化炭素の吸着脱離反応において極めて速い応答性が得られ、二酸化炭素の吸着及び脱離を効率良く行うことができる。また、不純物がドープされて通電により瞬間的に昇温するシリコン薄膜基板32を備えるため、二酸化炭素分離構造体30の急速加熱が可能であり、薄膜のため自然急冷も可能であることから、温度依存性を有する二酸化炭素の吸着及び脱離をより効率良く行うことができる。従って、本実施形態の二酸化炭素分離構造体30によれば、車両Vに搭載可能でエンジン1の排気中に含まれる二酸化炭素を十分に分離回収できる。
Further, the carbon
また、本実施形態の二酸化炭素分離構造体30では、シリコン薄膜基板32とリチウム複合酸化物層34との間に、シリカからなるシリカ層33を設けた。これにより、シリコン薄膜基板32とリチウム複合酸化物層34との間にシリカ層33が介在することで、通電されるシリコン薄膜基板32からリチウム複合酸化物層34を絶縁することができる。そのため、通電による影響からリチウム複合酸化物層34を保護することができる。
Further, in the carbon
また、本実施形態の二酸化炭素分離構造体30では、シリコン薄膜基板32の両面に、該シリコン薄膜基板32側から順に、シリカ層33と、リチウム複合酸化物層34が積層されてなる薄膜層35を備える構成とした。これにより、シリコン薄膜基板32の両面にリチウム複合酸化物層34が配置されるため、二酸化炭素の吸着及び脱離をより効率良く行うことができる。
Further, in the carbon
また、本実施形態の二酸化炭素分離構造体30では、隙間を有して複数の薄膜層35を積層した積層体36を、複数並列配置させることにより二酸化炭素分離構造体30を構成した。これにより、薄膜層35が多層化されて大面積化できるとともに、隙間に排気が流通可能となるため、二酸化炭素の吸着及び脱離をさらに効率良く行うことができる。また、排気の流量に応じた数の積層体36で二酸化炭素分離構造体30を構成することができ、排気の流量に応じた二酸化炭素分離構造体30の設計が可能になる。
Further, in the carbon
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, and the like within the range in which the object of the present invention can be achieved are included in the present invention.
例えば上記実施形態では、二酸化炭素分離構造体30を、不純物がドープされることで通電により発熱するシリコン薄膜基板32を有する薄膜層35で構成し、シリコン薄膜基板32を通電させることによりリチウム複合酸化物層34を昇温させる構成としたが、これに限定されない。例えば、ヒータ等の加熱手段によりリチウム複合酸化物層34を昇温させる構成としてもよい。
For example, in the above embodiment, the carbon
1 エンジン
3 CO2回収装置(二酸化炭素分離回収装置)
9 制御部
17 圧縮機
18 膨張機
30 二酸化炭素分離構造体
32 シリコン薄膜基板
33 シリカ層
34 リチウム複合酸化物層
35 薄膜層
36 積層体
300 二酸化炭素分離機構
310 第1流路
320 第1弁
350 第2流路
340 第2弁
360 第3流路
370 第3弁
380 第4流路
390 第4弁
1
9
Claims (5)
リチウム複合酸化物からなるリチウム複合酸化物層を有する二酸化炭素分離構造体と、
前記二酸化炭素分離構造体に排気を導く第1流路及び該第1流路を開閉する第1弁と、
前記二酸化炭素分離構造体で分離された二酸化炭素と脱二酸化炭素排気を導く第2流路及び該第2流路の流量を調整する第2弁と、
前記第2流路から脱二酸化炭素排気を導く第3流路及び該第3流路を開閉する第3弁と、
前記第2流路から二酸化炭素を導く第4流路及び該第4流路を開閉する第4弁と、を有する二酸化炭素分離機構と、
前記第1弁を開いて前記第2弁を絞るとともに、前記第3弁を開いて前記第4弁を閉じることにより、排気中に含まれる二酸化炭素を前記リチウム複合酸化物層に吸着させる第1工程と、
前記第1弁を閉じて前記第2弁を開くとともに、前記第3弁を開いて前記第4弁を閉じることにより、脱二酸化炭素排気を前記第3流路で導いて放出する第2工程と、
前記第1弁を閉じて前記第2弁を開くとともに、前記第3弁を閉じて前記第4弁を開き、かつ前記リチウム複合酸化物層を昇温させることにより、前記リチウム複合酸化物層から二酸化炭素を脱離させて前記第4流路で導いて回収する第3工程と、
前記第1弁を閉じて前記第2弁を開くとともに、前記第3弁を閉じて前記第4弁を開き、かつ前記リチウム複合酸化物層を降温させる第4工程と、をこの順に繰り返し実行するように前記二酸化炭素分離機構を制御する制御部と、を備える、二酸化炭素分離回収装置。 A carbon dioxide separation and recovery device that separates and recovers carbon dioxide contained in the exhaust gas of an internal combustion engine.
A carbon dioxide separation structure having a lithium composite oxide layer made of a lithium composite oxide,
A first flow path that guides exhaust gas to the carbon dioxide separation structure, a first valve that opens and closes the first flow path, and
A second flow path that guides carbon dioxide separated by the carbon dioxide separation structure and decarbon dioxide exhaust, and a second valve that regulates the flow rate of the second flow path,
A third flow path that guides decarbonization exhaust from the second flow path, a third valve that opens and closes the third flow path, and
A carbon dioxide separation mechanism having a fourth flow path for guiding carbon dioxide from the second flow path and a fourth valve for opening and closing the fourth flow path.
A first valve in which carbon dioxide contained in exhaust gas is adsorbed on the lithium composite oxide layer by opening the first valve to throttle the second valve and opening the third valve to close the fourth valve. Process and
A second step in which the decarbonized exhaust is guided and discharged through the third flow path by closing the first valve and opening the second valve and opening the third valve and closing the fourth valve. ,
From the lithium composite oxide layer by closing the first valve and opening the second valve, closing the third valve and opening the fourth valve, and raising the temperature of the lithium composite oxide layer. The third step of desorbing carbon dioxide and guiding it through the fourth flow path to recover it.
The fourth step of closing the first valve and opening the second valve, closing the third valve, opening the fourth valve, and lowering the temperature of the lithium composite oxide layer is repeatedly executed in this order. A carbon dioxide separation / recovery device including a control unit that controls the carbon dioxide separation mechanism.
前記制御部は、少なくとも4つの前記二酸化炭素分離機構間において、前記4つの工程の実行タイミングをずらすことで、常にいずれかの前記二酸化炭素分離機構が前記第1工程を実行するように、前記二酸化炭素分離機構の各々を制御する、請求項1に記載の二酸化炭素分離回収装置。 At least four carbon dioxide separation mechanisms are provided and arranged in parallel.
The control unit shifts the execution timing of the four steps among at least four of the carbon dioxide separation mechanisms so that the carbon dioxide separation mechanism always executes the first step. The carbon dioxide separation and recovery device according to claim 1, which controls each of the carbon separation mechanisms.
不純物がドープされることで通電により発熱するシリコン薄膜基板と、
前記シリコン薄膜基板上に設けられる前記リチウム複合酸化物層と、を有する薄膜層を備える、請求項1から4のいずれかに記載の二酸化炭素分離回収装置。 The carbon dioxide separation structure is
A silicon thin film substrate that generates heat when energized due to doping with impurities,
The carbon dioxide separation and recovery apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a thin film layer having the lithium composite oxide layer provided on the silicon thin film substrate.
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