JP2023085880A - 二酸化炭素処理装置 - Google Patents
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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(CO2)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CO2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、CO2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、CO2を資源として再利用することも、CO2の削減の観点から重要である。例えば、CO2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、CO2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、CO2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、CO2を還元してCOのような炭素化合物を生成するCO2電解装置は、CO2の炭素化合物への変換に好適である。CO2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CO2の発生を最小限に留めながら、CO2をCO等の炭素化合物に変換することができる。CO2の電解反応では、CO2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。
CO2電解装置においては、O2を生成する副反応が起こり、この際にO2と共にCO2が複成される場合がある。O2とCO2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、CO2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CO2を再放出することになる。O2とCO2を含む混合ガスからCO2を分離及び回収してCO2電解装置に戻すことが理想的であるが、混合ガスからCO2を効率よく分離することが難しい。そこで、CO2電解装置の還元部に悪影響を及ぼすO2を効率よく除去もしくは消費し、残部のCO2をCO2電解装置に返送することを可能にしたCO2処理装置が求められている。
本発明が解決しようとする課題は、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。
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(CO2)処理装置1は、二酸化炭素(CO2)電解部2と、CO2電解部2にCO2を供給するCO2供給部3と、CO2電解部2から排出される酸素(O2)-二酸化炭素(CO2)含有ガスが供給される燃料電池部4とを具備する。
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(CO2)処理装置1は、二酸化炭素(CO2)電解部2と、CO2電解部2にCO2を供給するCO2供給部3と、CO2電解部2から排出される酸素(O2)-二酸化炭素(CO2)含有ガスが供給される燃料電池部4とを具備する。
CO2電解部2は電解セルを有するCO2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、CO2ガスを流通させるようにしてもよいし、CO2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(H2O)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(HCO3
-)、炭酸イオン(CO3
-)、リン酸イオン(PO4
2-)、ホウ酸イオン(BO3
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(Ca2+)、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(Mg2+)、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、CO2供給部3からCO2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(CO3
2-)、炭酸水素イオン(HCO3
-)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。CO2電解部2(電解セルを有するCO2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。
CO2供給部3は還元部(カソード部)5と接続されており、CO2供給部3から還元部5にCO2含有ガスG1が供給される。CO2供給部3から還元部5に供給されるCO2含有ガスG1において、CO2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CO2を含む排出ガスG2を利用する場合には、排出ガスG2からCO2を分離回収するCO2回収部8を設け、CO2濃度を高めたCO2ガスG3をCO2供給部3に供給するようにしてもよい。CO2供給部3は、CO2回収部8で回収したCO2ガスG3、及び後述する燃料電池部4で回収したCO2ガスG4を合わせて、還元部5に適切な流量のCO2を供給するように構成されている。そのため、CO2供給部3はCO2量調整手段を有しており、その他に一時的にCO2を貯蔵する容器等を有していてもよい。
CO2電解部2において、還元部5では供給されたCO2が電解されて還元される。CO2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H2Oが電解されて酸化される。H2Oの酸化により酸素(O2)が生成される。CO2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H2Oの酸化反応が生じ、電子が失われ、酸素(O2)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。
2H2O → 4H++O2+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、CO2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。
2CO2+4H++4e- → 2CO+2H2O …(2)
2H2O → 4H++O2+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、CO2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。
2CO2+4H++4e- → 2CO+2H2O …(2)
さらに、還元部5では下記の(3)式に示す水(H2O)の還元反応により水素(H2)と水酸化物イオン(OH-)とが生成したり、下記の(4)式に示すCO2とH2O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。
4H2O+4e- → 2H2+4OH- …(3)
2CO2+2H2O+4e- → 2CO+4OH- …(4)
4H2O+4e- → 2H2+4OH- …(3)
2CO2+2H2O+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CO2との反応により炭酸水素イオン(HCO3
-)を生成し、生成された炭酸水素イオン(HCO3
-)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(CO3
2-)を生成する場合がある。
2CO2+2OH- → 2HCO3 - …(5)
2HCO3 -+2OH- → 2CO3 2-+2H2O …(6)
2CO2+2OH- → 2HCO3 - …(5)
2HCO3 -+2OH- → 2CO3 2-+2H2O …(6)
さらに、還元部5で生成された炭酸イオン(CO3
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、CO2が生成される場合がある。
4H++2CO3 2- → 2CO2+2H2O …(7)
上記した(1)及び(7)式に示すように、酸化部6ではO2の生成に加えて、CO2が副生する場合がある。
4H++2CO3 2- → 2CO2+2H2O …(7)
上記した(1)及び(7)式に示すように、酸化部6ではO2の生成に加えて、CO2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CO2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H2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H2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H2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O2とCO2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H2O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CO2濃度は、CO2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CO2の利用効率を低下させることになる。
CO2とO2の混合物からCO2を分離する方法としては、天然ガスからのCO2の分離や火力発電所の排ガスからのCO2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O2濃度は20~60体積%と高いため、化学吸収法で用いるCO2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CO2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、O2を除去してCO2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O2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。
1/2O2+2H++2e- → H2O …(8)
H2 → 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H2Oを生成する。このように、燃料電池部4の空気極部9ではO2が消費される。そこで、CO2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O2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H2が供給される。
1/2O2+2H++2e- → H2O …(8)
H2 → 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H2Oを生成する。このように、燃料電池部4の空気極部9ではO2が消費される。そこで、CO2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O2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H2が供給される。
空気極部9に供給される混合ガスG6中のCO2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CO2濃度が高い場合には、そのままCO2電解部2の上流側に位置するCO2供給部3に送ることができる。混合ガスG6中のO2はCO2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O2濃度が十分に低下していない場合には、排出ガスG4をCO2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O2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O2の利用率を維持しながら、排出ガスG4中のO2濃度を例えば5%未満とすることができる。
このように、CO2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O2を使用することによって、混合ガスG6の残部ガスであるCO2を、排出ガスG4としてCO2供給部3に送ることができる。従って、CO2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CO2をCO2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CO2電解部2の電力の一部として利用することもでき、CO2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CO2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CO2処理装置1は、CO2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CO2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CO2処理装置1と同様である。
次に、第2の実施形態のCO2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CO2処理装置1は、CO2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CO2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CO2処理装置1と同様である。
前述したように、CO2電解部2の酸化部6から排出される混合ガスG6は、O2及びCO2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O2と反応して除去される。
2CO+O2 → 2CO2 …(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O2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H2Oを除去することができる。
2CO+O2 → 2CO2 …(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O2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H2O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O2を含む場合がある。このようなO2を含む排出ガスG4は、CO2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H2、CH4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H2を供給した場合、排出ガスG4中のO2は、下記の(11)式に示すように、供給されたH2と反応してH2Oとして除去される。CH4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O2が燃焼されて消費される。
2H2+O2 → 2H2O …(11)
CH4+2O2 → CO2+2H2O …(12)
2CO+O2 → 2CO2 …(13)
2H2+O2 → 2H2O …(11)
CH4+2O2 → CO2+2H2O …(12)
2CO+O2 → 2CO2 …(13)
空気極部9とCO2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H2Oが冷却されて除去される。また、排出ガスG4中のO2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、CO2供給部3に戻すガスG8中のO2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H2、CH4、CO等が残留するが、O2に比べてCO2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CO2を含むガスG8をCO2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CO2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CO2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CO2処理装置1と同様である。
次に、第3の実施形態のCO2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CO2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CO2処理装置1と同様である。
第3の実施形態のCO2処理装置1おいて、1段目の第1の燃料電池部4AにはO2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、O2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O2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O2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O2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H2O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O2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O2が消費されて、例えばO2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O2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O2を消費して、O2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、O2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O2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O2濃度を1%未満とすることで、CO2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CO2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O2まで除去することができ、濃度が99%以上のCO2を含むガスG8をCO2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CO2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CO2処理装置1は、CO2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H2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CO2処理装置1と同様である。
次に、第4の実施形態のCO2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CO2処理装置1は、CO2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H2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CO2処理装置1と同様である。
前述したように、CO2電解部2の還元部5から排出される混合ガスG5は、COとCO2に加えて、還元部5の副生成物としてH2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CuAlCl4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、H2やCO2、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H2及びCO2、さらに微量のCOを含む残ガスG9は、H2分離部16に供給される。H2分離部16には、例えばH2分離膜を有する分離装置等を適用することができる。H2分離部16で分離及び回収されたH2ガスG10は、燃料電池部4の燃料極部10に供給するH2の一部として使用される。H2分離部16でH2を分離及び回収した残りのガス中のCO2は、CO2供給部3に送って再利用することができる。CO2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O2を消費した後、第2触媒燃焼器13及び冷却部14を介してCO2供給部3に送られる。
第4の実施形態のCO2処理装置1によれば、CO2電解部2の酸化部6から排出される混合ガスG6中のO2を燃料電池部4で使用すると共に、残部のCO2をCO2電解部2で再利用することができることに加えて、CO2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H2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CO2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、CO2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CO2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CO2処理装置1は、燃料電池部4を有するCO2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CO2処理装置1と同様である。
次に、第5の実施形態のCO2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CO2処理装置1は、燃料電池部4を有するCO2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CO2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CO2処理装置1は、例えばCO2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、CO2電解部2の酸化部6から排出される混合ガスG6中のO2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O2が除去される。燃焼部17には、必要量のH2、CH4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H2、CH4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O2を燃焼させる。
前述したように、排出ガスG6中のO2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、CO2供給部3に戻すガスG8中のO2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H2、CH4、CO等が残留するが、O2に比べてCO2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CO2を含むガスG7をCO2供給部3に戻すことができる。第5の実施形態のCO2処理装置1においては、例えばCO2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O2をより効率よく除去することができ、O2を除去したCO2ガスG8をCO2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…CO2電解部、3…CO2供給部、4,4A,4B…燃料電池部、5…還元部、6…酸化部、8…CO2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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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