JP2023161224A - System of recovering carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二酸化炭素回収システムに関する。 The present invention relates to a carbon dioxide recovery system.
従来、二酸化炭素回収システムが、例えば特許文献1で提案されている。二酸化炭素回収システムは、電解質の作用極側に対して還元反応するCO2を供給すると共に、電解質の対極側に対して酸化反応する物質を供給する。
Conventionally, a carbon dioxide recovery system has been proposed, for example, in
そして、二酸化炭素回収システムは、作用極と対極との間の印加電圧を制御することにより、作用極にCO2を吸着させる。また、二酸化炭素回収システムは、印加電圧を制御することにより、作用極に吸着したCO2を脱離させる。 The carbon dioxide recovery system adsorbs CO 2 on the working electrode by controlling the applied voltage between the working electrode and the counter electrode. Furthermore, the carbon dioxide recovery system desorbs CO 2 adsorbed on the working electrode by controlling the applied voltage.
二酸化炭素回収システムは、作用極及び対極を含む電気化学セルを備える。例えば、複数の電気化学セルをグルーピングする場合、複数の電気化学セルに電圧を印加するための電源部を共通化することが考えられる。 The carbon dioxide capture system includes an electrochemical cell that includes a working electrode and a counter electrode. For example, when grouping a plurality of electrochemical cells, it is conceivable to share a power supply unit for applying voltage to the plurality of electrochemical cells.
しかしながら、電気化学セルはコンデンサのように動作する。このため、電気化学セルにCO2を吸着させる吸着工程の際、吸着電圧が各電気化学セルに同時に印加されることで電源部に瞬間的に大電流が流れる。したがって、電源部として定格電流が大きな電源や大電流用の配線が必要になり、ひいては二酸化炭素回収システムを構成する電源部の設備が大規模になってしまう。 However, electrochemical cells operate like capacitors. Therefore, during the adsorption step of adsorbing CO2 into the electrochemical cells, an adsorption voltage is simultaneously applied to each electrochemical cell, causing a large current to instantaneously flow through the power supply section. Therefore, a power source with a large rated current and wiring for large current are required as a power source, and as a result, the equipment for the power source that constitutes the carbon dioxide recovery system becomes large-scale.
本発明は上記点に鑑み、複数の電気化学セルをグルーピングする場合、電源部の設備を小さくすることができる二酸化炭素回収システムを提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a carbon dioxide recovery system that can reduce the size of power supply equipment when a plurality of electrochemical cells are grouped.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、二酸化炭素回収システムは、電気化学セル(121~123)、電源部(170)、及び制御部(180)を含む。
In order to achieve the above object, in the invention according to
電気化学セルは、CO2を含有するCO2含有ガスからCO2を吸着することでCO2を回収する。電源部は、電気化学セルに接続される。制御部は、電源部を制御して電気化学セルに吸着電圧を印加することで、電気化学セルにCO2を吸着させる吸着工程を行う。 Electrochemical cells recover CO2 by adsorbing CO2 from a CO2 -containing gas containing CO2 . The power supply section is connected to the electrochemical cell. The control unit controls the power supply unit to apply an adsorption voltage to the electrochemical cell, thereby performing an adsorption step of adsorbing CO 2 to the electrochemical cell.
電気化学セルは、複数設けられると共に、グルーピングされている。 A plurality of electrochemical cells are provided and are grouped.
制御部は、複数の電気化学セルのうちの少なくとも1つの電気化学セルの吸着工程における吸着電圧を印加するタイミングを、他の電気化学セルの吸着工程における吸着電圧を印加するタイミングと異なるタイミングに制御する。 The control unit controls the timing of applying the adsorption voltage in the adsorption process of at least one electrochemical cell of the plurality of electrochemical cells to be different from the timing of applying the adsorption voltage in the adsorption process of other electrochemical cells. do.
これによると、複数の電気化学セルのうちの少なくとも1つの電気化学セルの吸着工程時に電源部に流れるピーク電流のタイミングと、他の電気化学セルの吸着工程時に電源部に流れるピーク電流のタイミングと、がすれる。このため、電気化学セルのグルーピング単位でみたとき、複数の電気化学セルに同時に吸着電圧を印加する場合よりも、電源部に流れるピーク電流を小さくすることができる。したがって、複数の電気化学セルをグルーピングする場合、電源部の設備を小さくすることができる。 According to this, the timing of the peak current flowing to the power supply part during the adsorption process of at least one electrochemical cell among the plurality of electrochemical cells, and the timing of the peak current flowing to the power supply part during the adsorption process of other electrochemical cells. , will slip. Therefore, when looking at the grouping unit of electrochemical cells, the peak current flowing through the power supply section can be made smaller than when applying the adsorption voltage to a plurality of electrochemical cells at the same time. Therefore, when a plurality of electrochemical cells are grouped, the power supply equipment can be made smaller.
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 Note that the reference numerals in parentheses of each means described in this column and the claims indicate correspondence with specific means described in the embodiment described later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings. Note that in each of the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
本実施形態に係る二酸化炭素回収システムは、電気化学反応によってCO2を含有するCO2含有ガスからCO2を分離する。図1に示されるように、二酸化炭素回収システム100は、回収部110、ダクト部130、掃気部140、捕集部150、圧力センサ160、電源部170、及び制御部180を含む。
(First embodiment)
The carbon dioxide recovery system according to this embodiment separates CO 2 from a CO 2 -containing gas by an electrochemical reaction. As shown in FIG. 1, the carbon
回収部110は、CO2含有ガスからCO2を分離して回収する装置である。CO2含有ガスは、例えばCO2を含む大気である。回収部110は、回収室111、CO2センサ112、回収室用ポンプ113、除湿フィルタ114、無臭フィルタ115、及び複数の回収器116~118を有する。
The
回収室111は、複数の回収器116~118を収容する部屋である。回収室111は、複数の回収器116~118を湿気等から保護する。回収室111は、外部から大気を導入するための導入用配管131と、外部と通じる排気孔120と、を有する。
The
CO2センサ112は、回収室111の内部に配置されると共に、回収室111の内部のCO2濃度を検出する。回収室用ポンプ113、除湿フィルタ114、及び無臭フィルタ115は、導入用配管131に配置される。回収室用ポンプ113は、導入用配管131を介して回収室111に大気を導入する。
The CO 2 sensor 112 is arranged inside the
除湿フィルタ114は、回収室用ポンプ113の下流に配置されると共に、回収室用ポンプ113によって導入される大気を除湿する。無臭フィルタ115は、除湿フィルタ114の下流に配置されると共に、除湿フィルタ114を通過する大気を脱臭する。
The
複数の回収器116~118は、回収室111に導入される大気からCO2を吸着することでCO2を回収する。また、各回収器116~118は、CO2が回収された後のCO2除去ガス、あるいは大気から回収したCO2を排出する。
The plurality of
本実施形態では、3台の回収器116~118が回収室111に配置される。各回収器116~118は、各電気化学セル121~123及び各筐体124~126を有する。
In this embodiment, three
各電気化学セル121~123は、大気からCO2を吸着することでCO2を回収する一方、CO2を脱離することでCO2を捕集可能とする装置である。各電気化学セル121~123は、電気化学反応によってCO2の吸着及び脱離を行い、大気からCO2を分離して回収可能とする。
Each of the
各電気化学セル121~123は、作用極、対極、絶縁層、及びイオン伝導性部材を有して構成されたセル部が複数積層された電界セルスタックである。作用極、対極、絶縁層は、それぞれ板状に構成される。作用極は負極である。対極は正極である。
Each of the
作用極は、CO2吸着材を含む。CO2吸着材は、レドックス活性を有しており、可逆的に酸化還元反応を起こすことが可能な電気活性種である。CO2吸着材は、還元状態でCO2を結合して吸着することができ、酸化状態でCO2を放出することができる。CO2吸着材は、CO2と結合する官能基を有する。CO2と結合する官能基は、電子の授受を行ってCO2吸着サイトとなる。 The working electrode includes a CO2 adsorbent. The CO 2 adsorbent is an electroactive species that has redox activity and can reversibly cause a redox reaction. CO2 adsorbents can bind and adsorb CO2 in a reduced state and release CO2 in an oxidized state. A CO 2 adsorbent has a functional group that binds CO 2 . The functional group that binds to CO 2 exchanges electrons and becomes a CO 2 adsorption site.
なお、作用極は、CO2吸着材の他に、作用極側基材、作用極側導電助剤、及び作用極側バインダを有する。作用極側基材は、CO2を通過させることができる多孔質状の導電性材料である。作用極側導電助剤は、CO2吸着材への導電路を形成する導電物質である。作用極側バインダは、CO2吸着材及び作用極側導電助剤を作用極側基材に保持するための保持材料である。CO2吸着材、作用極側導電助剤、及び作用極側バインダは、多孔質状の作用極側基材の内部に設けられる。 Note that the working electrode includes, in addition to the CO 2 adsorbent, a working electrode side base material, a working electrode side conductive agent, and a working electrode side binder. The working electrode side base material is a porous conductive material through which CO 2 can pass. The working electrode side conductive agent is a conductive material that forms a conductive path to the CO 2 adsorbent. The working electrode side binder is a holding material for holding the CO 2 adsorbent and the working electrode side conductive agent on the working electrode side base material. The CO 2 adsorbent, the working electrode side conductive agent, and the working electrode side binder are provided inside the porous working electrode side base material.
対極は、作用極と同様の構成を有する。対極は、対極側活物質を含む。対極側活物質は、CO2吸着材と酸化還元状態が逆になり、CO2吸着材との間で電子の授受を行う補助的な電気活性種である。対極側活物質として、例えば金属イオンの価数が変化することで、電子の授受を可能とする金属錯体を用いることができる。 The counter electrode has a similar configuration to the working electrode. The counter electrode includes a counter electrode side active material. The counter electrode side active material is an auxiliary electroactive species whose redox state is opposite to that of the CO 2 adsorbent, and which exchanges electrons with the CO 2 adsorbent. As the counter electrode side active material, for example, a metal complex that enables transfer of electrons by changing the valence of metal ions can be used.
なお、対極は、対極側活物質の他に、対極側基材、対極側導電助剤、対極側バインダを有する。対極側基材、対極側導電助剤、対極側バインダは、作用極に採用されるものと同じ材料を用いても良く、異なる材料を用いても良い。 Note that the counter electrode includes a counter electrode side base material, a counter electrode side conductive agent, and a counter electrode side binder in addition to the counter electrode side active material. For the counter electrode side base material, the counter electrode side conductive agent, and the counter electrode side binder, the same material as that used for the working electrode may be used, or different materials may be used.
絶縁層は、作用極と対極との間に配置される。絶縁層は、作用極と対極とを分離する。絶縁層は、作用極と対極との物理的な接触を防ぐ。また、絶縁層は、作用極と対極との電気的短絡を抑制する。絶縁層として、セパレータ、あるいは空気等の気体層を用いることができる。 An insulating layer is placed between the working electrode and the counter electrode. An insulating layer separates the working and counter electrodes. The insulating layer prevents physical contact between the working and counter electrodes. Further, the insulating layer suppresses electrical short circuit between the working electrode and the counter electrode. A separator or a gas layer such as air can be used as the insulating layer.
イオン伝導性部材は、作用極と対極の間に設けられる。具体的には、イオン伝導性部材は、絶縁層を介して作用極側基材と対極側基材との間に設けられている。 The ion conductive member is provided between the working electrode and the counter electrode. Specifically, the ion conductive member is provided between the working electrode side base material and the counter electrode side base material with an insulating layer interposed therebetween.
イオン伝導性部材は、作用極側基材の内部でCO2吸着材と接触している。イオン伝導性部材は、イオン伝導性を有する。これにより、イオン伝導性部材は、CO2吸着材への導電を促進する。イオン伝導性部材に含まれるイオンは、CO2吸着材に含まれるCO2と結合する官能基と直接反応しない。イオン伝導性部材として、作用極側バインダと同じ材料を用いても良く、作用極側バインダと異なる材料を用いても良い。 The ion conductive member is in contact with the CO 2 adsorbent inside the base material on the working electrode side. The ion conductive member has ion conductivity. Thereby, the ion conductive member promotes electrical conduction to the CO 2 adsorbent. The ions contained in the ion conductive member do not directly react with the functional groups that bind to CO 2 contained in the CO 2 adsorbent. As the ion conductive member, the same material as the working electrode side binder may be used, or a different material from the working electrode side binder may be used.
筐体124は、電気化学セル121を収容する容器である。筐体125は、電気化学セル122を収容する容器である。筐体126は、電気化学セル123を収容する容器である。各筐体124~126は、密閉可能になっている。
The
ダクト部130は、各回収器116~118に大気を流すための装置である。ダクト部130は、導入用配管131、第1ダクト用開閉部132、第2ダクト用開閉部133、排気用ポンプ134、オイルフィルタ135、及びCO2センサ136を有する。
The
導入用配管131は、各回収器116~118に大気を導入すると共に排気するための配管である。導入用配管131の一端部は、回収室111の内部に配置される。導入用配管131の他端部は、回収室111の外部に配置される。
The
第1ダクト用開閉部132は、導入用配管131において各回収器116~118よりも上流に配置される。第1ダクト用開閉部132は、制御部180の指令に従って導入用配管131の上流を開閉する。第2ダクト用開閉部133は、導入用配管131において各回収器116~118よりも下流に配置される。第2ダクト用開閉部133は、制御部180の指令に従って導入用配管131の下流を開閉する。
The first duct opening/
第1ダクト用開閉部132及び第2ダクト用開閉部133は、回収室111の内部に配置される。第1ダクト用開閉部132及び第2ダクト用開閉部133は、例えば、導入用配管131の通路を開放または遮断するバルブである。なお、各回収器116~118の各筐体124~126は、導入用配管131の一部として構成されていても良い。
The first duct opening/
排気用ポンプ134は、導入用配管131において第2ダクト用開閉部133よりも下流に配置される。排気用ポンプ134は、回収室111の外部に配置される。排気用ポンプ134は、導入用配管131に大気の流れを発生させることで、各回収器116~118に大気を通過させる。排気用ポンプ134は、例えばドライ式のポンプである。
The
オイルフィルタ135は、導入用配管131において排気用ポンプ134よりも下流に配置される。オイルフィルタ135は、オイル式の排気用ポンプ134から漏れるオイルの通過を遮断する。なお、排気用ポンプ134ではなく、送風ファンが用いられても良い。この場合、オイルフィルタ135は不要である。
The
CO2センサ136は、導入用配管131においてオイルフィルタ135よりも下流に配置される。CO2センサ136は、各回収器116~118から排出される大気に含まれるCO2の濃度を検出すると共に、検出結果を制御部180に出力する。
The CO 2 sensor 136 is arranged downstream of the
掃気部140は、電気化学セル121~123がCO2を吸着した状態、及び、筐体124~126が密閉された状態で、各回収器116~118の各筐体124~126の内部を掃気するための装置である。つまり、掃気部140は、各筐体124~126の内部を真空引きする。
The scavenging
ここで、各筐体124~126が密閉された状態とは、少なくともダクト部130によって大気が各筐体124~126の内部に導入されない状態である。掃気部140で各筐体124~126の内部を掃気するためには、密閉された各筐体124~126と掃気部140とが繋がった状態であることが必要である。同様に、各回収器116~118から捕集部150にCO2を捕集するためには、密閉された各筐体124~126と捕集部150とが繋がった状態であることが必要である。
Here, the state in which each of the
掃気部140は、掃気用配管141、掃気用開閉部142、及び第1掃気用ポンプ143、第2掃気用ポンプ144、及びオイルフィルタ145を有する。
The
掃気用配管141は、各筐体124~126の内部と外部とを接続する配管である。掃気用配管141の一端部は、各筐体124~126に連結される。掃気用配管141の他端部は、回収室111の外部に配置される。これにより、各筐体124~126の内部は掃気用配管141を介して回収室111の外部と繋がる。掃気用配管141の一部は分岐すると共に再び合流している。すなわち、掃気用配管141の一部は2本になっている。
The scavenging
掃気用開閉部142は、制御部180の指令に従って掃気用配管141を開閉する。掃気用開閉部142は、例えば、掃気用配管141の通路を開放または遮断するバルブである。掃気用開閉部142は、例えば三方弁である。掃気用開閉部142は、制御部180の指令に従って掃気用配管141のうちの各筐体124~126の側を開閉する。また、掃気用開閉部142は、制御部180の指令に従って回収室111の内部の真空状態を大気に戻す。
The scavenging opening/
第1掃気用ポンプ143及び第2掃気用ポンプ144は、掃気用配管141において掃気用開閉部142よりも下流に配置される。各掃気用ポンプ143、144は、回収室111の外部に配置される。各掃気用ポンプ143、144は、掃気用配管141の分岐部分の各配管にそれぞれ配置される。各掃気用ポンプ143、144は、掃気用配管141に気体の流れを発生させることで、各筐体124~126の内部を掃気する。2台の掃気用ポンプ143、144によって掃気を行うので、1台の場合よりも掃気能力を高めることができる。各掃気用ポンプ143、144は、例えばオイル式のポンプである。
The
オイルフィルタ145は、掃気用配管141において各掃気用ポンプ143、144よりも下流に配置される。オイルフィルタ145は、オイル式の各掃気用ポンプ143、144から漏れるオイルの通過を遮断する。なお、各掃気用ポンプ143、144としてドライ式のポンプが採用される場合、オイルフィルタ135は不要である。
The
捕集部150は、各回収器116~118に回収されるCO2を捕集するための装置である。捕集部150は、タンク151、捕集用配管152、捕集用開閉部153、真空フィルタ154、及び捕集用ポンプ155を有する。
The
タンク151は、各回収器116~118に回収されるCO2を貯蔵するための装置である。タンク151は、捕集用配管152を介して各回収器116~118からCO2を捕集する。なお、タンク151は、CO2を利用する工場や装置でも良い。
The
捕集用配管152は、各筐体124~126の内部とタンク151とを接続する配管である。捕集用配管152の一端部は、掃気用配管141の一端部に連結される。したがって、捕集用配管152の一端部は、掃気用配管141の一端部と共通になっている。もちろん、捕集用配管152の一端部及び掃気用配管141の一端部がそれぞれ独立して各筐体124~126に連結されていても良い。捕集用配管152の他端部は、タンク151に連結される。
The
捕集用開閉部153は、捕集用配管152のうちの各筐体124~126の側に設けられる。捕集用開閉部153は、回収室111の内部に配置される。捕集用開閉部153は、制御部180の指令に従って捕集用配管152のうちの各筐体124~126の側を開閉する。捕集用開閉部153は、例えば、捕集用配管152の通路を開放または遮断するバルブである。
The collection opening/
真空フィルタ154は、各回収器116~118の減圧時に捕集用ポンプ155によって吸引される気体に含まれる水分やゴミ等を除去するためのフィルタである。真空フィルタ154は、捕集用配管152において捕集用開閉部153よりも下流に配置される。
The
捕集用ポンプ155は、各回収器116~118に回収されるCO2をタンク151に引き込むためのドライ式のポンプである。捕集用ポンプ155は、捕集用配管152において真空フィルタ154の下流に配置される。捕集用ポンプ155は、例えば回収室111の壁に配置される。
The
圧力センサ160は、各回収器116~118の各筐体124~126の内部圧力を検出するためのセンサである。圧力センサ160は、例えば、掃気用配管141の一端部に設けられる。圧力センサ160は、検出信号を制御部180に出力する。
電源部170は、二酸化炭素回収システム100の電源装置である。電源部170は、制御部180の指令に従って、回収部110、ダクト部130、掃気部140、捕集部150、及び圧力センサ160に電源を供給する。
The
電源部170は、第1パワーユニット171、第2パワーユニット172、第1ドライバ173、第2ドライバ174、第3ドライバ175、第1電流プローブ176、及び第2電流プローブ177を含む。
The
第1パワーユニット171及び第2パワーユニット172は、制御部180の指令に従って、各回収器116~118の各電気化学セル121~123に所定の電圧を印加することで、作用極と対極との電位差を変化させる。
The
第1パワーユニット171は、各電気化学セル121~123にCO2を吸着させるための吸着電圧を発生させる。吸着電圧は、例えば正の電圧である。第2パワーユニット172は、各電気化学セル121~123からCO2を脱離するための脱離電圧である。脱離電圧は、例えば負の電圧である。第2パワーユニット172が発生させる脱離電圧は、第1パワーユニット171が発生させる吸着電圧に対して逆位相の電圧である。
The
なお、吸着電圧と、吸着電圧に対して逆位相の脱離電圧と、を発生させることができると共に、各電圧を異なるタイミングで各電気化学セル121~123に供給可能であれば、パワーユニットは1台でも構わない。
Note that if it is possible to generate an adsorption voltage and a desorption voltage with a phase opposite to the adsorption voltage, and also to supply each voltage to each
各ドライバ173~175は、制御部180の指令に従って、各パワーユニット171、172と各電気化学セル121~123との通電をONまたはOFFするためのスイッチ装置である。
Each of the
例えば、第1ドライバ173は、各パワーユニット171、172と電気化学セル121とを同時にONせず、各パワーユニット171、172のうちのいずれか一方と電気化学セル121とをONする。第2ドライバ174及び第3ドライバ175も同様である。
For example, the
第1電流プローブ176は、第1パワーユニット171と各電気化学セル121~123との間に流れる電流を検出するセンサである。第2電流プローブ177は、第2パワーユニット172と各電気化学セル121~123との間に流れる電流を検出するセンサである。各電流プローブ176、177の検出結果は、制御部180に出力される。
The first
制御部180は、CPU、ROM及びRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。制御部180は、ROMに記憶された制御プログラムに従って各種演算や処理を行う。
The
例えば、制御部180は、電源部170を制御して各電気化学セル121~123に吸着電圧を印加することで、各電気化学セル121~123にCO2を吸着させる吸着工程を行う。また、制御部180は、電源部170を制御して各電気化学セル121~123に脱離電圧を印加することで、各電気化学セル121~123からCO2を脱離させる脱離工程を行う。
For example, the
その他、制御部180は、ダクト部130の第1ダクト用開閉部132、第2ダクト用開閉部133、排気用ポンプ134の制御を行う。制御部180は、掃気部140の掃気用開閉部142及び各掃気用ポンプ143、144の制御を行う。制御部180は、捕集部150のタンク151、捕集用開閉部153、及び捕集用ポンプ155の制御を行う。以上が、本実施形態に係る二酸化炭素回収システム100の全体構成である。
In addition, the
次に、二酸化炭素回収システム100の作動について説明する。制御部180は、各電気化学セル121~123に対し、吸着工程、掃気工程、脱離工程、及び回収工程を実行する。吸着工程から回収工程までを1サイクルとする。制御部180は、サイクルを繰り返す制御を行う。
Next, the operation of the carbon
以下では、回収器116の電気化学セル121の各工程について説明する。各工程の内容は、他の電気化学セル122及び電気化学セル123についても同じである。
Each process of the
まず、制御部180は、電気化学セル121にCO2を吸着させる吸着工程を行う。図2に示されるように、制御部180は、捕集用開閉部153及び掃気用開閉部142を閉の状態に制御する。制御部180は、各掃気用ポンプ143、144及び捕集用ポンプ155をOFFの状態に制御する。
First, the
また、制御部180は、第1ダクト用開閉部132及び第2ダクト用開閉部133を開の状態に制御すると共に、回収室用ポンプ113及び排気用ポンプ134をONの状態に制御する。これにより、回収器116の電気化学セル121に大気が供給される。したがって、図3に示されるように、筐体124の内部の圧力は、時点t1で大気圧P0となる。
Further, the
制御部180は、第1ドライバ173において第1パワーユニット171と電気化学セル121との通電をONし、第2パワーユニット172と電気化学セル121との通電をOFFする。これにより、電気化学セル121の作用極と対極の間に第1パワーユニット171の吸着電圧を印加する。よって、対極の対極側活物質による電子供与と、作用極のCO2吸着材の電子求引と、を同時に実現できる。なお、図2では第1ドライバ173を省略している。
The
作用極と対極との間に吸着電圧が印加される際、対極の対極側活物質は電子を放出して酸化状態となり、電子が対極から作用極に供給される。作用極のCO2吸着材は、電子を受け取って還元状態となる。 When an adsorption voltage is applied between the working electrode and the counter electrode, the active material on the opposite electrode side of the counter electrode emits electrons and becomes an oxidized state, and the electrons are supplied from the counter electrode to the working electrode. The CO 2 adsorbent at the working electrode receives electrons and becomes reduced.
還元状態となったCO2吸着材はCO2の結合力が高くなり、大気に含まれるCO2を結合して吸着する。このように、電気化学セル121は、作用極と対極との間に吸着電圧が印加されることで、対極から作用極に電子が供給され、CO2吸着材は電子が供給されることに伴ってCO2と結合する。よって、回収器116は、大気からCO2を回収することができる。
The CO 2 adsorbent in the reduced state has a high CO 2 binding strength, and binds and adsorbs CO 2 contained in the atmosphere. In this way, in the
大気のCO2が回収器116に回収された後、CO2を含まない大気が回収器116から排出される。制御部180は、例えば、各CO2センサ112、136の濃度差に基づいて、吸着工程を終了する。
After the atmospheric CO 2 is collected in the
吸着工程の後、制御部180は、回収器116の筐体124の内部を掃気する掃気工程を行う。図4に示されるように、制御部180は、電気化学セル121にCO2を吸着させた状態すなわち電気化学セル121に吸着電圧を印加した状態で、排気用ポンプ134及び捕集用ポンプ155をOFFの状態に制御する。
After the adsorption process, the
また、制御部180は、第1ダクト用開閉部132、第2ダクト用開閉部133、及び捕集用開閉部153をそれぞれ閉の状態に制御する。そして、制御部180は、掃気用開閉部142を開の状態に制御すると共に、回収室用ポンプ113及び各掃気用ポンプ143、144をONの状態に制御する。
Further, the
これにより、回収器116の筐体124の内部を、掃気用配管141を介して掃気する。筐体124の内部は負圧になる。したがって、図3に示されるように、筐体124の内部の圧力は除去到達圧P1まで下がる。制御部180は、筐体124の内部の圧力が除去到達圧P1に達する時点t2のタイミングで掃気工程を終了する。
Thereby, the inside of the
掃気工程の後、制御部180は、電気化学セル121に吸着させたCO2を脱離する脱離工程を行う。図5に示されるように、制御部180は、電気化学セル121にCO2を吸着させた状態で、排気用ポンプ134、捕集用ポンプ155、及び各掃気用ポンプ143、144をOFFの状態に制御する。制御部180は、回収室用ポンプ113をONの状態に制御する。なお、制御部180は、回収室用ポンプ113をOFFの状態に制御しても良い。
After the scavenging process, the
また、制御部180は、第1ダクト用開閉部132、第2ダクト用開閉部133、捕集用開閉部153、及び掃気用開閉部142の全てを閉の状態に制御する。
Further, the
そして、制御部180は、第1ドライバ173において第1パワーユニット171と電気化学セル121との通電をOFFし、第2パワーユニット172と電気化学セル121との通電をONする。これにより、電気化学セル121の作用極と対極の間に第2パワーユニット172の脱離電圧を印加する。よって、作用極のCO2吸着材による電子供与と、対極の対極側活物質の電子求引と、を同時に実現できる。
Then, the
作用極のCO2吸着材は、電子を放出して酸化状態となる。CO2吸着材は、CO2の結合力が低下し、CO2を脱離して放出する。対極の対極側活物質は、電子を受け取って還元状態となる。 The CO 2 adsorbent at the working electrode emits electrons and becomes oxidized. The CO 2 adsorbent has a reduced binding force for CO 2 and desorbs and releases CO 2 . The active material on the opposite electrode side receives electrons and becomes a reduced state.
このようにして、電気化学セル121からCO2を脱離する。CO2が筐体124の内部に放出される。したがって、図3に示されるように、脱離工程の終了時点t3でで、筐体124の内部の圧力は脱離到達圧P2まで上がる。
In this way, CO 2 is desorbed from the
脱離工程の後、制御部180は、電気化学セル121から脱離させたCO2を捕集する回収工程を行う。図6に示されるように、制御部180は、電気化学セル121からCO2を脱離させた状態で、第1ダクト用開閉部132、第2ダクト用開閉部133、及び掃気用開閉部142をそれぞれ閉の状態に制御する。また、制御部180は、排気用ポンプ134及び各掃気用ポンプ143、144をOFFの状態に制御する。
After the desorption step, the
そして、制御部180は、捕集用開閉部153を開の状態に制御すると共に、捕集用ポンプ155をONの状態に制御する。これにより、CO2吸着材から放出されたCO2を回収器116から排出すると共に、捕集用配管152を介してタンク151に捕集する。
Then, the
CO2をタンク151に捕集する間、捕集用ポンプ155が動作している。したがって、図3に示されるように、筐体124の内部の圧力は回収到達圧P3まで下がる。回収工程の後、吸着工程に移行することで、筐体124の内部の圧力は時点t4で大気圧P0に戻る。こうして、1サイクルが終了する。制御部180は、上記のサイクルを繰り返し実行する。
While CO 2 is being collected in the
本実施形態では、3台の回収器116~118をグルーピングする。つまり、3台の電気化学セル121~123を1セットとして扱う。すなわち、電源部170は、グルーピングされた3台の電気化学セル121~123に共通化されている。
In this embodiment, three
そして、制御部180は、3台の電気化学セル121~123のうちの少なくとも1つの電気化学セル121~123の吸着工程における吸着電圧を印加するタイミングを、他の電気化学セル121~123の吸着工程における吸着電圧を印加するタイミングと異なるタイミングに制御する。
Then, the
本実施形態では、図7に示されるように、制御部180は、現在行っている電気化学セル121~123の吸着工程が終了した後に、次の電気化学セル121~123の吸着工程を開始する。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, the
なお、例えば、吸着工程の開始のタイミングを、吸着工程における吸着電圧を印加するタイミングとする。吸着電圧を印加するタイミングは吸着工程内であれば良いので、吸着電圧を印加するタイミングはバルブの制御を終了した後でも構わない。 Note that, for example, the timing of starting the adsorption process is the timing of applying the adsorption voltage in the adsorption process. Since the timing for applying the attraction voltage may be within the attraction process, the timing for applying the attraction voltage may be after the control of the valve is completed.
例えば、時点T10では、制御部180は、電気化学セル121の吸着工程を開始する。これにより、時点T11が電気化学セル121の吸着工程時に電源部170に流れるピーク電流のタイミングとなる。時点T11のピーク電流は、電気化学セル121の1台分の電流である。この後、ピーク電流は減少していく。
For example, at time T10, the
そして、時点T12では、制御部180は、電気化学セル121の吸着工程を終了し、掃気工程を開始する。また、制御部180は、電気化学セル122の吸着工程を開始する。
Then, at time T12, the
制御部180は、第1ドライバ173を制御して第1パワーユニット171と電気化学セル121との通電をOFFし、第2ドライバ174を制御して第1パワーユニット171と電気化学セル122との通電をONする。第1パワーユニット171は、吸着電圧を発生し続けているので、第1パワーユニット171の吸着電圧を連続して使用することができる。同様に、第2パワーユニット172は、脱離電圧を発生し続けている。
The
よって、時点T13が電気化学セル122の吸着工程時に電源部170に流れるピーク電流のタイミングとなる。時点T13のピーク電流は、電気化学セル122の1台分の電流である。この後、ピーク電流は減少していく。なお、各電気化学セル121~123は同じ構成であるので、各電気化学セル121~123に流れるピーク電流の大きさも同じである。
Therefore, time T13 is the timing of the peak current flowing through the
時点T14では、制御部180は、電気化学セル121の掃気工程を終了し、脱離工程を開始する。すなわち、制御部180は、第1ドライバ173を制御して第2パワーユニット172と電気化学セル121との通電をONする。これにより、吸着電圧に対して逆位相の脱離電圧が電気化学セル121に印加される。すなわち、吸着工程時に対して電気化学セル121に逆方向の電流が流れる。
At time T14, the
脱離電圧が電気化学セル121に印加されることで、CO2が電気化学セル121から脱離していく。そして、時点T15が電気化学セル121の脱離工程時に電源部170に流れるピーク電流のタイミングとなる。
By applying a desorption voltage to the
時点T16では、制御部180は、電気化学セル122の吸着工程を終了し、掃気工程を開始する。また、制御部180は、電気化学セル123の吸着工程を開始する。よって、時点T17が電気化学セル123の吸着工程時に電源部170に流れるピーク電流のタイミングとなる。時点T17のピーク電流は、電気化学セル123の1台分の電流である。この後、ピーク電流は減少していく。
At time T16, the
時点T18では、制御部180は、電気化学セル121の脱離工程を終了し、回収工程を開始する。
At time T18, the
時点T19では、制御部180は、電気化学セル122の掃気工程を終了し、脱離工程を開始する。よって、時点T20が電気化学セル122の脱離工程時に電源部170に流れるピーク電流のタイミングとなる。時点T20のピーク電流は、電気化学セル122の1台分の電流である。
At time T19, the
時点T21では、制御部180は、電気化学セル121の回収工程を終了し、再び吸着工程を開始する。時点T21では、電気化学セル123の吸着工程が実行中である。よって、時点T22のピーク電流は、電気化学セル123に流れる電流と、電気化学セル121に流れる電流と、の合算値となる。
At time T21, the
時点T21以降、制御部180は時点T10以降と同様に各電気化学セル121~123の各工程を繰り返す。各電気化学セル121~123の各工程において吸着工程が重なる期間や脱離工程が重なる期間の電流値は合算値となるので、ピーク電流は各電気化学セル121~123の1台分よりも少し大きくなる。例えば、時点T23から時点T24までの期間は、電気化学セル121の脱離工程と電気化学セル123の脱離工程とが重なる期間であり、ピーク電流は合算値となる。
After time T21, the
ここで、3台の電気化学セル121~123の各吸着工程における吸着電圧を印加するタイミングを同時とした場合のピーク電流と比較する。図8に示されるように、時点T30では、制御部180は、各電気化学セル121~123の吸着工程を同時に開始する。
Here, a comparison will be made with the peak current when the adsorption voltages are applied at the same time in each adsorption step of the three
これにより、時点T31が各電気化学セル121~123の吸着工程時に電源部170に流れるピーク電流のタイミングとなる。このため、時点T31のピーク電流の値は、各電気化学セル121~123の3台分のピーク電流の合計値になってしまい、第1パワーユニット171と各ドライバ173~175との間の配線に大電流が流れてしまう。
As a result, time T31 becomes the timing of the peak current flowing through the
時点T32では、制御部180は、各電気化学セル121~123の掃気工程を同時に開始する。そして、時点T33では、制御部180は、各電気化学セル121~123の脱離工程を同時に開始する。よって、制御部180は、第1パワーユニット171と各電気化学セル121~123との通電を同時にOFFする。また、制御部180は、第2パワーユニット172と各電気化学セル121~123との通電をONする。
At time T32, the
これにより、吸着電圧に対して逆位相の脱離電圧が各電気化学セル121~123に同時に印加されるので、吸着工程時に対して逆方向の電流が第2パワーユニット172と各ドライバ173~175との間に流れる。そして、時点T34が脱離工程時に電源部170に流れるピーク電流のタイミングとなる。このため、時点T34のピーク電流の値は、各電気化学セル121~123の3台分のピーク電流の合計値になってしまい、第2パワーユニット172と各ドライバ173~175との間の配線に大電流が流れてしまう。
As a result, a desorption voltage having an opposite phase to the adsorption voltage is simultaneously applied to each
時点T35では、制御部180は、各電気化学セル121~123の回収工程を同時に開始する。また、時点T36以降、制御部180は時点T30以降と同様に各電気化学セル121~123の各工程を繰り返す。上記のサイクルでは、時点T31や時点T34で大電流が流れてしまう。
At time T35, the
これに対し、本実施形態では、各電気化学セル121~123のうちの1つの電気化学セル121の吸着工程時に流れるピーク電流のタイミングと、他の電気化学セル122、123の吸着工程時に流れるピーク電流のタイミングと、がすれている。このため、電気化学セル121~123のグルーピング単位でみたとき、各電気化学セル121~123に同時に吸着電圧を印加する場合よりも、電源部170に流れるピーク電流を小さくすることができる。すなわち、最大電流を平滑化することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the timing of the peak current flowing during the adsorption process of one
以上により、電源部170の設備の規模を小さくすることができる。つまり、電源容量を小型化することができる。また、電源部170を構成する銅線やコネクタを小型化することができる。
As described above, the scale of the equipment of the
そして、各電気化学セル121~123の吸着工程のタイミングがずれているので、各パワーユニット171、172の電源を常に利用することができる。例えば、各電気化学セル121~123の吸着工程のタイミングが同時の場合、図8に示されるように、時点T33から時点T36までの期間、第1パワーユニット171の電源が利用されない。しかし、電気化学セル121~123の吸着工程のタイミングが異なる場合、図7に示されるように、第1パワーユニット171の電源を連続して利用することができる。したがって、電源供給効率を上昇させることができる。
Furthermore, since the timings of the adsorption steps in each of the
また、各回収器116~118に共通のダクト部130、掃気部140、及び捕集部150の動作も分散されるので、各部の負荷を分散させることができる。
Furthermore, since the operations of the
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第1電流プローブ176及び第2電流プローブ177が特許請求の範囲の「電流プローブ」に対応する。
Regarding the correspondence between the description of this embodiment and the description of the claims, the first
(第2実施形態)
本実施形態では、主に第1実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、制御部180は、各電流プローブ176、177から取得する電流値に基づいて、現在実行中の吸着工程に流れる電流の現在値と、複数の電気化学セル121~123のうちの次の吸着工程の電流の最大値と、を合算する。そして、制御部180は、電流の合算値が所定の電流値以下となる場合、次に吸着工程を予定している電気化学セル121~123への吸着電圧の印加を開始する。このように、制御部180は、電流値に基づいて各電気化学セル121~123の吸着工程のタイミングを制御する。
(Second embodiment)
In this embodiment, mainly differences from the first embodiment will be explained. In this embodiment, the
具体的には、図9に示されるように、時点T50から二酸化炭素回収システム100のサイクルを開始した場合、時点T50のタイミングで第1パワーユニット171と電気化学セル121との間にピーク電流が流れる。これが、現在実行中の電気化学セル121の吸着工程に流れる電流の現在値となる。
Specifically, as shown in FIG. 9, when the cycle of the carbon
制御部180は、現在実行中の吸着工程において電源部170に流れる電流の現在値と、次に吸着工程を予定している電気化学セル122において前回の吸着工程時に電源部170に流れた電流の最大値と、を合算する。各電気化学セル121~123の電流の最大値は、時点T50のピーク電流の値である。そして、制御部180は、電流の現在値と最大値との合算値が電流クライテリア以下となる場合、次に吸着工程を予定している電気化学セル121~123への吸着電圧の印加を開始する。電流クライテリアは、電源出力に安全マージンを取った任意の値であり、所定の電流値である。
The
時点T50から電気化学セル121の吸着工程が始まり、電気化学セル121に関するピーク電流が減少していく。これに伴い、電気化学セル121に現在流れている電流の現在値と、次に吸着工程を予定している電気化学セル122において前回の吸着工程時に流れた電流の最大値と、の合算値が小さくなっていく。そして、時点T51で電流の合算値が電流クライテリア以下となる。すなわち、合算値が電流クライテリアを下回る。よって、制御部180は、時点T51で電気化学セル122の吸着工程を開始する。
At time T50, the adsorption process of the
同様に、時点T51の後、電流の合算値が減少していき、時点T52で電流の合算値が電流クライテリア以下となる。よって、制御部180は、時点T52で電気化学セル123の吸着工程を開始する。時点T53以降も同様である。
Similarly, after time T51, the total current value decreases, and at time T52, the total current value becomes less than or equal to the current criterion. Therefore, the
以上のように、制御部180は、前回の吸着工程時に電源部170に流れた電流の最大値を用いて、電流の合算値を推定している。つまり、制御部180は、前サイクルから電流の合算値を推定している。このように、制御部180は、電流値の推定値に基づいて、各電気化学セル121~123の吸着工程の開始タイミングを制御しても良い。
As described above, the
なお、第1実施形態との組み合わせにより、制御部180は前の吸着工程の終了後に次の吸着工程を開始すると共に、電流の合算値が電流クライテリア以下となる場合、次の吸着工程を開始する制御を行っても良い。
In addition, in combination with the first embodiment, the
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された二酸化炭素回収システム100の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、CO2含有ガスは大気に限られず、CO2を含むガスであれば良い。
(Other embodiments)
The configuration of the carbon
各電気化学セル121~123のグルーピングは3台に限られない。電気化学セル121~123が2台以上グルーピングされていれば良い。また、グルーピングの数も1つに限られない。例えば、二酸化炭素回収システム100は複数のグルーピングを備えていても良い。その際、各グルーピングに含まれる電気化学セル121~123の数は異なっていても構わない。電源部170は、グルーピングされた複数の電気化学セル121~123毎に設けられていれば良い。
The grouping of each
また、二酸化炭素回収システム100は、ダクト部130を備えていなくても良い。例えば、各回収器116~118の筐体124~126は、大気を取り込むと共に密閉するための開閉可能な扉を備えていれば良い。この場合、回収室111は不要になる。二酸化炭素回収システム100が野外に設置される場合、自然風が筐体124~126の内部を通過する。
Further, the carbon
121~123 電気化学セル
170 電源部
171、172 パワーユニット
173~175 ドライバ
176、177 電流プローブ
180 制御部
121-123
Claims (3)
前記電気化学セルに接続された電源部(170)と、
前記電源部を制御して前記電気化学セルに吸着電圧を印加することで、前記電気化学セルに前記CO2を吸着させる吸着工程を行う制御部(180)と、
を含み、
前記電気化学セルは、複数設けられると共に、グルーピングされており、
前記制御部は、前記複数の電気化学セルのうちの少なくとも1つの電気化学セルの吸着工程における前記吸着電圧を印加するタイミングを、他の電気化学セルの吸着工程における前記吸着電圧を印加するタイミングと異なるタイミングに制御する、二酸化炭素回収システム。 an electrochemical cell (121 to 123) that recovers the CO 2 by adsorbing the CO 2 from a CO 2 -containing gas containing CO 2 ;
a power supply unit (170) connected to the electrochemical cell;
a control unit (180) that performs an adsorption step of adsorbing the CO 2 to the electrochemical cell by controlling the power supply unit and applying an adsorption voltage to the electrochemical cell;
including;
A plurality of the electrochemical cells are provided and are grouped,
The control unit may set the timing of applying the adsorption voltage in the adsorption process of at least one electrochemical cell of the plurality of electrochemical cells to the timing of applying the adsorption voltage in the adsorption process of another electrochemical cell. Carbon dioxide recovery system controlled at different timings.
前記制御部は、前記電流値に基づき、現在実行中の吸着工程に流れる電流の現在値と、前記複数の電気化学セルのうちの次の吸着工程の電流の最大値と、を合算すると共に電流の合算値が所定の電流値以下となる場合、前記次に吸着工程を予定している電気化学セルへの前記吸着電圧の印加を開始する、請求項1に記載の二酸化炭素回収システム。 The power supply section detects a current value flowing between the power supply section and the plurality of electrochemical cells,
Based on the current value, the control unit adds up the current value of the current flowing in the currently executed adsorption process and the maximum value of the current in the next adsorption process among the plurality of electrochemical cells, and also controls the current value. The carbon dioxide recovery system according to claim 1, wherein when the total value of the adsorption voltage is equal to or less than a predetermined current value, application of the adsorption voltage to the electrochemical cell scheduled for the next adsorption step is started.
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-
2022
- 2022-04-25 JP JP2022071448A patent/JP2023161224A/en active Pending
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