JP2023085880A - 二酸化炭素処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２の利用効率を高めることを可能にした二酸化炭素処理装置を提供する。【解決手段】実施形態の二酸化炭素処理装置１は、二酸化炭素を電解して一酸化炭素を生成する二酸化炭素電解部２と、二酸化炭素電解部２から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスＧ６が供給され、酸素－二酸化炭素含有ガスＧ６中の酸素濃度を低下させ燃料電池部４とを具備する。燃料電池部４で酸素濃度を低下させたガスは、二酸化炭素電解部２の上流に返送される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、二酸化炭素処理装置に関する。

主に化石燃料を燃焼させることで発生する二酸化炭素（ＣＯ_２）は、温室効果による地球温暖化の主因と考えられている。このようなＣＯ_２の大気への放出を抑制すれば、効率的に温暖化の原因を取り除くことが可能となることから、ＣＯ_２の放出を抑制する活動が盛んに行われている。再生可能エネルギーの普及及び加速、自動車の脱エンジン化、エネルギー利用の効率化等が、日本のみならず、世界各所で様々に取り組まれている。同時に、ＣＯ_２を資源として再利用することも、ＣＯ_２の削減の観点から重要である。例えば、ＣＯ_２を何等かの手段で還元すれば、化石資源に由来する燃料や化学品と同様の炭素化合物に再生することができ、ＣＯ_２の再利用と削減を両立させることができる。

１つの取り組みとして、余剰の再生可能エネルギーを用いて、ＣＯ_２を電解して一酸化炭素（ＣＯ）を生成することが行われている。例えば、ＣＯ_２を還元してＣＯのような炭素化合物を生成するＣＯ_２電解装置は、ＣＯ_２の炭素化合物への変換に好適である。ＣＯ_２電解装置を太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギーで駆動すれば、化石資源の使用を抑制することができ、新たなＣＯ_２の発生を最小限に留めながら、ＣＯ_２をＣＯ等の炭素化合物に変換することができる。ＣＯ_２の電解反応では、ＣＯ_２をＣＯに変換する反応が主反応であり、ＣＯは燃料等の様々な工業製品の原料となる。

ＣＯ_２電解装置においては、Ｏ_２を生成する副反応が起こり、この際にＯ_２と共にＣＯ_２が複成される場合がある。Ｏ_２とＣＯ_２を含む混合ガスを燃焼させて無害化して大気中に放出した場合、ＣＯ_２を有効活用することができないだけでなく、温暖化の原因となるＣＯ_２を再放出することになる。Ｏ_２とＣＯ_２を含む混合ガスからＣＯ_２を分離及び回収してＣＯ_２電解装置に戻すことが理想的であるが、混合ガスからＣＯ_２を効率よく分離することが難しい。そこで、ＣＯ_２電解装置の還元部に悪影響を及ぼすＯ_２を効率よく除去もしくは消費し、残部のＣＯ_２をＣＯ_２電解装置に返送することを可能にしたＣＯ_２処理装置が求められている。

特許第６８７０９５６号 特開２０２１－１４７６７９号公報

本発明が解決しようとする課題は、ＣＯ_２の利用効率を高めることを可能にした二酸化炭素処理装置を提供することにある。

実施形態の二酸化炭素処理装置は、二酸化炭素を電解して一酸化炭素を生成する二酸化炭素電解部と、前記二酸化炭素電解部から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスが供給され、前記酸素－二酸化炭素含有ガス中の酸素濃度を低下させる燃料電池部とを具備し、前記燃料電池部で前記酸素濃度を低下させたガスは、前記二酸化炭素電解部の上流に返送される。

第１の実施形態の二酸化炭素処理装置を示す図である。 第１の実施形態の二酸化炭素処理装置で使用される燃料電池部の構成例を示す図である。 第２の実施形態の二酸化炭素処理装置を示す図である。 第３の実施形態の二酸化炭素処理装置を示す図である。 第３の実施形態の二酸化炭素処理装置で使用される燃料電池部の構成例を示す図である。 第４の実施形態の二酸化炭素処理装置を示す図である。 第５の実施形態の二酸化炭素処理装置を示す図である。

以下、実施形態の二酸化炭素処理装置について、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、各範囲は上限値及び下限値を含むものである。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の二酸化炭素処理装置１を示す図である。図１に示す二酸化炭素（ＣＯ_２）処理装置１は、二酸化炭素（ＣＯ_２）電解部２と、ＣＯ_２電解部２にＣＯ_２を供給するＣＯ_２供給部３と、ＣＯ_２電解部２から排出される酸素（Ｏ_２）－二酸化炭素（ＣＯ_２）含有ガスが供給される燃料電池部４とを具備する。

ＣＯ_２電解部２は電解セルを有するＣＯ_２電解装置であり、還元部（カソード部）５と酸化部（アノード部）６とを備える。還元部５は還元電極（カソード）を、酸化部６は酸化電極（アノード）を備えており、少なくとも酸化部６には電解液が流通又は満たされている。還元部５は、ＣＯ_２ガスを流通させるようにしてもよいし、ＣＯ_２を含む電解液を流通又は満たすようにしてもよい。還元部５及び酸化部６において、例えば電解液には水（Ｈ_２Ｏ）を用いた溶液、例えば任意の電解質を含む水溶液を用いることができる。電解質を含む水溶液としては、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^－）、リン酸イオン（ＰＯ_４ ^２－）、ホウ酸イオン（ＢＯ_３ ^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（Ｃａ^２＋）、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（Ｍｇ^２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ^－）、水酸化物イオン（ＯＨ^－）等を含む水溶液が挙げられる。

還元部５には、後に詳述するように、ＣＯ_２供給部３からＣＯ_２含有ガスＧ１が供給される。酸化部６には、電解液（電解質を含む水溶液）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。還元部５と酸化部６は、例えば水素イオン（Ｈ^＋）、水酸化物イオン（ＯＨ^－）、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）等のイオンを移動させることが可能な隔膜７により分離されている。隔膜７には、例えばイオン交換膜が用いられるが、これ以外のイオンが移動可能な構成を適用してもよい。ＣＯ_２電解部２（電解セルを有するＣＯ_２電解装置）は、単一の電解セルで構成されていてもよいし、複数の電解セルが積層されて一体化された構成を有していてもよい。

ＣＯ_２供給部３は還元部（カソード部）５と接続されており、ＣＯ_２供給部３から還元部５にＣＯ_２含有ガスＧ１が供給される。ＣＯ_２供給部３から還元部５に供給されるＣＯ_２含有ガスＧ１において、ＣＯ_２濃度は８０体積％以上１００体積％の範囲であることが好ましい。火力発電所、廃棄物焼却場、製鉄所等から排出されるＣＯ_２を含む排出ガスＧ２を利用する場合には、排出ガスＧ２からＣＯ_２を分離回収するＣＯ_２回収部８を設け、ＣＯ_２濃度を高めたＣＯ_２ガスＧ３をＣＯ_２供給部３に供給するようにしてもよい。ＣＯ_２供給部３は、ＣＯ_２回収部８で回収したＣＯ_２ガスＧ３、及び後述する燃料電池部４で回収したＣＯ_２ガスＧ４を合わせて、還元部５に適切な流量のＣＯ_２を供給するように構成されている。そのため、ＣＯ_２供給部３はＣＯ_２量調整手段を有しており、その他に一時的にＣＯ_２を貯蔵する容器等を有していてもよい。

ＣＯ_２電解部２において、還元部５では供給されたＣＯ_２が電解されて還元される。ＣＯ_２の還元により一酸化炭素（ＣＯ）等が生成される。また、酸化部６では例えば電解液中のＨ_２Ｏが電解されて酸化される。Ｈ_２Ｏの酸化により酸素（Ｏ_２）が生成される。ＣＯ_２電解部２の酸化還元反応としては、種々の反応が考えられる。以下に、酸化還元反応の一例を記載する。例えば、下記の（１）式に示すように、電解液中のＨ_２Ｏの酸化反応が生じ、電子が失われ、酸素（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）とが生成される場合がある。生成された水素イオン（Ｈ^＋）の一部は、隔膜７を介して還元部５に移動する。
２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ^－ …（１）
酸化部６で生成された水素イオン（Ｈ^＋）が還元部５に到達すると、例えば下記の（２）式に示すように、ＣＯ_２の還元反応が生じて一酸化炭素（ＣＯ）が生成される場合がある。
２ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－ → ２ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ …（２）

さらに、還元部５では下記の（３）式に示す水（Ｈ_２Ｏ）の還元反応により水素（Ｈ_２）と水酸化物イオン（ＯＨ^－）とが生成したり、下記の（４）式に示すＣＯ_２とＨ_２Ｏとの反応によりＣＯと水酸化物イオン（ＯＨ^－）とを生成する場合がある。
４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ → ２Ｈ_２＋４ＯＨ^－ …（３）
２ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ → ２ＣＯ＋４ＯＨ^－ …（４）

還元部５で生成された水酸化物イオン（ＯＨ^－）は、下記の（５）式に示すＣＯ_２との反応により炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）を生成し、生成された炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）が下記の（６）式により、さらに水酸化物イオン（ＯＨ^－）と反応して炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）を生成する場合がある。
２ＣＯ_２＋２ＯＨ^－ → ２ＨＣＯ_３ ^－ …（５）
２ＨＣＯ_３ ^－＋２ＯＨ^－ → ２ＣＯ_３ ^２－＋２Ｈ_２Ｏ …（６）

さらに、還元部５で生成された炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）が酸化部６に到達すると、酸化部６で生成された水素イオン（Ｈ^＋）と下記の（７）式にしたがって反応し、ＣＯ_２が生成される場合がある。
４Ｈ^＋＋２ＣＯ_３ ^２－ → ２ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ …（７）
上記した（１）及び（７）式に示すように、酸化部６ではＯ_２の生成に加えて、ＣＯ_２が副生する場合がある。

還元部５で生成されたＣＯと未反応のＣＯ_２は、それらの混合ガスＧ５として、例えば図示しないＣＯ精製部に送られたり、あるいは液体燃料合成部のような化学合成部に送られる。混合ガスＧ５は、さらに複生成物としてのＨ_２を含む場合がある。液体燃料合成部としては、触媒を用いてＣＯとＨ_２を反応させ、分子内の炭素原子数が１又はそれ以上の炭化水素化合物を生成する合成装置が挙げられる。ＣＯとＨ_２との反応には、例えばフィッシャー・トロプシュ合成反応が用いられる。

また、酸化部６で生成されたＯ_２とＣＯ_２は、それらの混合ガスＧ６として排出される。混合ガスＧ６は、微量のＣＯを含む場合がある。さらに、混合ガスＧ６はＨ_２Ｏを含む場合もある。酸化部６から排出される混合ガスＧ６中のＣＯ_２濃度は、ＣＯ_２電解部２の運転条件等にもよるが、おおよそ４０～８０体積％となる場合が多い。このような混合ガスＧ６を大気中に放出した場合、地球温暖化等の環境への影響が懸念されるほか、回収したＣＯ_２の利用効率を低下させることになる。

ＣＯ_２とＯ_２の混合物からＣＯ_２を分離する方法としては、天然ガスからのＣＯ_２の分離や火力発電所の排ガスからのＣＯ_２の分離に用いられる化学吸収法が挙げられる。しかし、混合ガスＧ６のＯ_２濃度は２０～６０体積％と高いため、化学吸収法で用いるＣＯ_２吸収液の劣化が急速に進み、経済性を大幅に低下させる。同様に、有機物のＣＯ_２分離膜を使用する場合においても、膜の劣化が懸念される。一方、ゼオライト等の無機物を吸着材として用いる圧力スイング法では、吸着材の劣化のおそれは低いものの、Ｏ_２を除去してＣＯ_２の純度を上げるためには、数段の工程が必要となるため、設備が過大となる。

そこで、実施形態の二酸化炭素処理装置１では、酸化部６から排出される混合ガスＧ６を、燃料電池部４の空気極部９に送り、燃料電池部４で混合ガスＧ６中のＯ_２を消費させる。燃料電池部４は、空気極を備える空気極部（カソード部）９と、燃料極を備える燃料極部１０と、空気極と燃料極との間に配置された固体酸化物電解質層や固体高分子電解質膜のような固体電解質層１１とを有している。空気極及び燃料極は、それぞれ多孔質な電気伝導体により形成されている。電解質層１１は、緻密質な電気を通さないイオン伝導体により形成されている。燃料電池部４は、空気極と燃料極と固体電解質層とを積層したセルを有し、そのような単一のセルで構成されていてもよいし、複数のセルが積層されて一体化された構成を有していてもよい。燃料電池部４の具体的な構成は特に限定されるものではなく、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ）のいずれであってもよい。

燃料電池部４において、空気極部９での反応は下記の（８）式に示す通りであり、燃料極部１０での反応は下記の（９）式に示す通りである。
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－ → Ｈ_２Ｏ …（８）
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ^－ …（９）
（７）式に示すように、空気極部９に供給された酸素は、燃料極部１０の反応により生じる水素イオン（Ｈ^＋）と反応してＨ_２Ｏを生成する。このように、燃料電池部４の空気極部９ではＯ_２が消費される。そこで、ＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６を空気極部９に送り、混合ガスＧ６中のＯ_２を空気極部９で使用する。燃料極部１０には、図示しない水素供給部からＨ_２が供給される。

空気極部９に供給される混合ガスＧ６中のＣＯ_２は、空気極部９に悪影響を及ぼすことはないため、そのまま空気極部９の排出ガスＧ４として排出される。排出ガスＧ４中のＣＯ_２濃度が高い場合には、そのままＣＯ_２電解部２の上流側に位置するＣＯ_２供給部３に送ることができる。混合ガスＧ６中のＯ_２はＣＯ_２電解部２の還元部５に悪影響を及ぼすため、燃料電池部４の空気極部９からの排出ガスＧ４－２中のＯ_２濃度が十分に低下していない場合には、排出ガスＧ４をＣＯ_２回収部８に送るようにしてもよい。さらに、空気極部９からの排出ガスＧ４中のＯ_２濃度が十分に低下していない場合、図２に示すように、空気極部（カソード部）９から排出されるガスを空気極部９に戻すカソードリサイクルを適用してもよい。これにより、空気極部９によるＯ_２の利用率を維持しながら、排出ガスＧ４中のＯ_２濃度を例えば５％未満とすることができる。

このように、ＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６を燃料電池部４の空気極部９に送り、空気極部９で混合ガスＧ６中のＯ_２を使用することによって、混合ガスＧ６の残部ガスであるＣＯ_２を、排出ガスＧ４としてＣＯ_２供給部３に送ることができる。従って、ＣＯ_２電解部２の還元部５への悪影響を排除した上で、混合ガスＧ６の残部ガスであるＣＯ_２をＣＯ_２電解部２で再利用することが可能になる。さらに、燃料電池部４で発生させた電気をＣＯ_２電解部２の電力の一部として利用することもでき、ＣＯ_２処理装置１の一層の効率化を実現することが可能になる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態のＣＯ_２処理装置１について、図３を参照して説明する。図３に示すＣＯ_２処理装置１は、ＣＯ_２電解部２の酸化部６と燃料電池部４の空気極部９とを接続する配管Ｐ１に設けられた第１触媒燃焼器１２と、燃料電池部４の空気極部９とＣＯ_２供給部３とを接続する配管Ｐ２に設けられた第２触媒燃焼器１３及び冷却部１４を備えている。これら以外の構成については、第１の実施形態のＣＯ_２処理装置１と同様である。

前述したように、ＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６は、Ｏ_２及びＣＯ_２に加えて微量のＣＯを含む場合がある。混合ガスＧ６は、空気極部９に送られる前に、第１触媒燃焼器１２に送られる。第１触媒燃焼器１２において、混合ガスＧ６中のＣＯは、下記の（１０）式に示すように第１触媒燃焼器１２でＯ_２と反応して除去される。
２ＣＯ＋Ｏ_２ → ２ＣＯ_２ …（１０）
第１触媒燃焼器１２で混合ガスＧ６中のＣＯを除去することによって、燃料電池部４の空気極部９におけるＯ_２の使用効率を高めることができる。さらに、図示しないが酸化部６と空気極部９との間の配管には、除湿装置として機能する冷却装置を設けてもよい。これによって、混合ガスＧ６中に含まれるＨ_２Ｏを除去することができる。

さらに、燃料電池部４の空気極部９から排出される排出ガスＧ４は、燃料電池部４の動作やその制御方法等によっては、数％のＯ_２を含む場合がある。このようなＯ_２を含む排出ガスＧ４は、ＣＯ_２供給部３に送られる前に、第２触媒燃焼器１３に送られる。第２触媒燃焼器１３には、必要量のＨ_２、ＣＨ_４のような低級炭化水素、ＣＯ等の還元剤（補助燃料）が供給される。還元剤としてＨ_２を供給した場合、排出ガスＧ４中のＯ_２は、下記の（１１）式に示すように、供給されたＨ_２と反応してＨ_２Ｏとして除去される。ＣＨ_４のような低級炭化水素又はＣＯを供給した場合には、下記の（１２）式又は（１３）式にしたがってＯ_２が燃焼されて消費される。
２Ｈ_２＋Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ …（１１）
ＣＨ_４＋２Ｏ_２ → ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ …（１２）
２ＣＯ＋Ｏ_２ → ２ＣＯ_２ …（１３）

空気極部９とＣＯ_２供給部３との間には、除湿装置として機能する冷却部１４が設けられている。第２触媒燃焼器１３から排出される排出ガスＧ７は冷却部１４に送られ、冷却部１４で排出ガスＧ７中のＨ_２Ｏが冷却されて除去される。また、排出ガスＧ４中のＯ_２の除去効率を高めるように、第２触媒燃焼器１３における空気燃料比は１未満（不完全燃焼領域）、例えば１．３程度とすることが好ましい。これによって、ＣＯ_２供給部３に戻すガスＧ８中のＯ_２濃度をより一層低くすることができ、さらにおおよそ零とすることができる。ガスＧ８中にＨ_２、ＣＨ_４、ＣＯ等が残留するが、Ｏ_２に比べてＣＯ_２電解部２の酸化部６への悪影響が小さい。これらによって、高純度のＣＯ_２を含むガスＧ８をＣＯ_２供給部３に戻すことができる。なお、燃焼器（１２、１３）としては、触媒燃焼器１２、１３が効率に優れることから有効であるが、これに限られるものではない。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態のＣＯ_２処理装置１について、図４を参照して説明する。図４に示すＣＯ_２処理装置１は、２段の燃料電池部４、すなわち第１の燃料電池部（第１の燃料電池）４Ａ及び第２の燃料電池部（第２の燃料電池）４Ｂを備えている。燃料電池部４は、２段の燃料電池に限らず、３段以上の燃料電池を有していてもよい。これら以外の構成については、第２の実施形態のＣＯ_２処理装置１と同様である。

第３の実施形態のＣＯ_２処理装置１おいて、１段目の第１の燃料電池部４ＡにはＯ_２濃度が例えば２０～６０体積％というような混合ガスＧ６が導入される。第１の燃料電池部４Ａの運転条件は、Ｏ_２濃度が若干高めではあるものの、第１の燃料電池部４Ａには一般的な燃料電池を適用することができる。そのような第１の燃料電池部４Ａの空気極部９からは、例えばＯ_２濃度が１０％未満（例えば７％程度）のガスＧ４１が排出される。このような排出ガスＧ４１をそのまま第２触媒燃焼器１３送ることは効率が悪い。そこで、第３の実施形態においては、第１の燃料電池部４Ａ及び第２の燃料電池部４Ｂを適用し、第２の燃料電池部４Ｂから例えばＯ_２濃度が５％未満のガスＧ４２を排出させることができる。導入されたＯ_２は第１の実施形態で詳述したように、燃料極部１０の反応により生じるＨ^＋と反応してＨ_２Ｏを生成して排出ガスＧ４２として排出される。

第１の燃料電池部４Ａ及び第２の燃料電池部４ＢでＯ_２濃度が５％未満のガスＧ４２を排出させるためには、例えば図５に示すように、カスケード構造を適用することができる。図５に示す燃料電池部４は、２つの第１の燃料電池部４Ａ１、４Ａ２と、１つの第２の燃料電池部４Ｂとを備えている。２つの第１の燃料電池部４Ａ１、４Ａ２には、それぞれ酸化部６から排出される混合ガスＧ６が供給される。２つの第１の燃料電池部４Ａ１、４Ａ２では、それぞれＯ_２が消費されて、例えばＯ_２濃度が１０％未満のガスＧ４１１、Ｇ４１２が排出される。これら排出ガスＧ４１１、Ｇ４１２を合わせて、例えばＯ_２濃度が２０％以下のガスとして第２の燃料電池部４Ｂに送られる。第２の燃料電池部４Ｂでは、ガス中のＯ_２を消費して、Ｏ_２濃度を低下させたガスＧ４２として排出される。このような構成を適用することによって、各燃料電池部での酸素利用率を維持しながら、Ｏ_２濃度を低下させたガスＧ４２を排出させることができる。

第２の燃料電池部４Ｂは、電気出力を多くとることはできないものの、酸素除去装置としての機能を発揮させる上で有効である。第２の燃料電池部４Ｂの空気極部９から排出されるガスＧ４２中のＯ_２濃度は、例えば１％未満とすることが好ましい。なお、第１の燃料電池部４Ａの空気極部９から排出されるガスＧ４１を第２の燃料電池部４Ｂを送る前に、例えば冷却部に導入して除湿するようにしてもよい。第２の燃料電池部４Ｂの空気極部９から排出されるガスＧ４２は、例えばＯ_２濃度を１％未満とすることで、ＣＯ_２供給部３に送って良好に再利用することが可能になる。排出ガスＧ４２は第２の実施形態と同様に、第２の触媒燃焼器１３及び冷却部１４を介してＣＯ_２供給部３に送るようにしてもよい。これによって、排出ガスＧ４２中に含まれる微量のＯ_２まで除去することができ、濃度が９９％以上のＣＯ_２を含むガスＧ８をＣＯ_２供給部３に導入することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態のＣＯ_２処理装置１について、図６を参照して説明する。図６に示すＣＯ_２処理装置１は、ＣＯ_２電解部２の還元部５から排出される混合ガスＧ５が導入されるＣＯ精製部１５と、ＣＯ精製部１５から排出されるＣＯ精製残ガス（混合ガス）Ｇ９が導入されるＨ_２分離部１６とを備えている。これら以外の構成については、第２の実施形態のＣＯ_２処理装置１と同様である。

前述したように、ＣＯ_２電解部２の還元部５から排出される混合ガスＧ５は、ＣＯとＣＯ_２に加えて、還元部５の副生成物としてＨ_２を含む場合がある。さらに、混合ガスＧ５中のＣＯの利用効率を高めるために、混合ガスＧ５中のＣＯを精製するＣＯ精製部１５を設置する場合がある。ＣＯ精製部１５には、例えばＣｕＡｌＣｌ_４のトルエン溶液にＣＯを吸収させ、高温及び減圧下でＣＯを分離及び回収する方法（ＣＯＳＯＲＢ法）、吸着材の圧力変動によるＣＯの吸着と脱着を利用し、加圧下でＣＯを吸着させると共に、減圧下でＣＯを脱着させてＣＯを分離及び回収する方法（ＰＳＡ法）等を適用することができるが、特にこれらに限定されるものではない。

ＣＯ精製部４でＣＯを分離及び回収した残りのガス、すなわちＣＯ分離残ガスＧ９は、Ｈ_２やＣＯ_２、さらに分離されずに排出される微量のＣＯを含んでいる。このようなＨ_２及びＣＯ_２、さらに微量のＣＯを含む残ガスＧ９は、Ｈ_２分離部１６に供給される。Ｈ_２分離部１６には、例えばＨ_２分離膜を有する分離装置等を適用することができる。Ｈ_２分離部１６で分離及び回収されたＨ_２ガスＧ１０は、燃料電池部４の燃料極部１０に供給するＨ_２の一部として使用される。Ｈ_２分離部１６でＨ_２を分離及び回収した残りのガス中のＣＯ_２は、ＣＯ_２供給部３に送って再利用することができる。ＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６は、第２の実施形態と同様に、燃料電池部４の空気極部９でＯ_２を消費した後、第２触媒燃焼器１３及び冷却部１４を介してＣＯ_２供給部３に送られる。

第４の実施形態のＣＯ_２処理装置１によれば、ＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６中のＯ_２を燃料電池部４で使用すると共に、残部のＣＯ_２をＣＯ_２電解部２で再利用することができることに加えて、ＣＯ_２電解部２の還元部５から排出される混合ガスＧ５中のＣＯの利用効率を高めるように精製すると共に、混合ガスＧ５中のＨ_２を燃料電池部４の燃料極部１０で使用することができる。前述したように、燃料電池部４で発生させた電気をＣＯ_２電解部２の電力の一部として利用することもできる。これらによって、ＣＯ_２処理装置１のより一層の効率化を実現することが可能になる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態のＣＯ_２処理装置１について、図７を参照して説明する。図７に示すＣＯ_２処理装置１は、燃料電池部４を有するＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６の第１の処理系統とは別に、燃焼部１７を有する第２の処理系統を備えている。第２の処理系統は、混合ガスＧ５を燃料電池部４に供給する配管Ｐ１に接続された配管Ｐ２と、配管Ｐ２に接続された燃焼部１７と、燃焼部１７からの排出ガスＧ９を冷却部１４に送る配管Ｐ４とを備えている。これら以外の構成については、第２の実施形態のＣＯ_２処理装置１と同様である。

第１の処理系統と第２の処理系統は、配管Ｐ１に設けられたバルブＶ１及び配管Ｐ２に設けられたバルブＶ２を有する第１の切替機構と、第２触媒燃焼器１３と冷却部１４とを接続する配管Ｐ３に設けられたバルブＶ３及び配管Ｐ４に設けられたバルブＶ４を有する第２の切替機構とを備えている。第５の実施形態のＣＯ_２処理装置１は、例えばＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６の組成等に応じて、第１の処理系統と第２の処理系統とを切り替えて使用することが可能なように構成されている。

例えば、ＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６中のＯ_２濃度が燃料電池部４の使用に適切ではない場合、第１の切替機構及び第２の切替機構により混合ガスＧ６の送出先を切り替え、混合ガスＧ６は燃焼部１７に送られる。燃焼部１７には、例えば触媒燃焼器、ボイラーやガスタービンのような燃焼器を用いることができる。燃焼部１７においては、燃料電池部４の空気極部９から排出される排出ガスＧ４の燃焼処理が行われ、それにより排出ガスＧ４のＯ_２が除去される。燃焼部１７には、必要量のＨ_２、ＣＨ_４のような低級炭化水素、ＣＯ等の還元剤（補助燃料）が供給される。還元剤として供給したＨ_２、ＣＨ_４のような低級炭化水素、又はＣＯは、前述した（１１）式、（１２）式、又は（１３）式にしたがってＯ_２を燃焼させる。

前述したように、排出ガスＧ６中のＯ_２の除去効率を高めるように、燃焼部１７における空気燃料比は１未満（不完全燃焼領域）、例えば１．３程度とすることが好ましい。これによって、ＣＯ_２供給部３に戻すガスＧ８中のＯ_２濃度をより一層低くすることができ、さらにおおよそ零とすることができる。ガスＧ８中にＨ_２、ＣＨ_４、ＣＯ等が残留するが、Ｏ_２に比べてＣＯ_２電解部２の酸化部６への悪影響が小さい。これらによって、高純度のＣＯ_２を含むガスＧ７をＣＯ_２供給部３に戻すことができる。第５の実施形態のＣＯ_２処理装置１においては、例えばＣＯ_２電解部２の酸化部６から排出される混合ガスＧ６の組成等に応じて、第１の処理系統と第２の処理系統とを切り替えて使用することができる。従って、混合ガスＧ６中のＯ_２をより効率よく除去することができ、Ｏ_２を除去したＣＯ_２ガスＧ８をＣＯ_２供給部３に戻して再利用することが可能になる。

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。

１…二酸化炭素処理装置、２…ＣＯ_２電解部、３…ＣＯ_２供給部、４，４Ａ，４Ｂ…燃料電池部、５…還元部、６…酸化部、８…ＣＯ_２回収部、９…空気極部、１０…燃料極部、１２…第１触媒燃焼器、１３…第２触媒燃焼器、１４…冷却部、１７…燃焼部。

Claims (11)

1. 二酸化炭素を電解して一酸化炭素を生成する二酸化炭素電解部と、
   前記二酸化炭素電解部から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスが供給され、前記酸素－二酸化炭素含有ガス中の酸素濃度を低下させる燃料電池部とを具備し、
   前記燃料電池部で酸素濃度を低下させたガスは、前記二酸化炭素電解部の上流に返送される、二酸化炭素処理装置。
2. 前記燃料電池部は、直列に接続された２段以上の燃料電池を備える、請求項１に記載の二酸化炭素処理装置。
3. 前記２段以上の燃料電池のうち、下流側に配置される燃料電池は、上流側に配置される燃料電池より低い酸素濃度で動作するように構成されている、請求項２に記載の二酸化炭素処理装置。
4. さらに、前記二酸化炭素電解部と前記燃料電池部との間に配置され、前記酸素－二酸化炭素含有ガスが供給される第１の燃焼部を具備する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の二酸化炭素処理装置。
5. さらに、前記燃料電池部から排出される前記ガスが供給される第２の燃焼部を具備する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素処理装置。
6. 前記第２の燃焼部は、水素、一酸化炭素、及び低級炭化水素から選ばれる少なくとも１つの還元剤が供給されるように構成されている、請求項５に記載の二酸化炭素処理装置。
7. 前記第２の燃焼部は、空気燃料比が１未満となるように前記還元剤が供給されるように構成されている、請求項６に記載の二酸化炭素処理装置。
8. 前記燃料電池部で発電された電力が前記二酸化炭素電解部に供給されるように構成されている、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の二酸化炭素処理装置。
9. さらに、前記二酸化炭素電解部から排出される酸素－二酸化炭素含有ガスが供給されるように、前記燃料電池部と並列配置された燃焼部を具備し、
   前記酸素－二酸化炭素含有ガスは、前記燃料電池部と前記燃焼部との間で切り替えて供給される、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の二酸化炭素処理装置。
10. 前記燃焼部は、水素、一酸化炭素、及び低級炭化水素から選ばれる少なくとも１つの還元剤が供給されるように構成されている、請求項９に記載の二酸化炭素処理装置。
11. 前記燃焼部は、空気燃料比が１未満となるように前記還元剤が供給されるように構成されている、請求項１０に記載の二酸化炭素処理装置。

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