JP4289007B2 - ガス処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚泥消化ガス等の二酸化炭素や水蒸気を含んだガス中の二酸化炭素成分を除去すると共に水素ガスを生成するガス処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９９７年１２月、京都市で、２０００年以降における地球温暖化防止のための新たな国際的枠組みを決定する気候変動枠条約第３回締約国会議（地球温暖化防止会議、ＣＯＰ３）が開催された。京都会議では、先進国全体の温室効果ガスを２００８〜２０１２年において１９９０年比５％強削減する数値目標などを含む「京都議定書」が採択され、この中で我が国についての数値目標は１９９０年比６％削減とされている。
【０００３】
温室効果ガスの人為的排出の多くを占めるのが、エネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素（ＣＯ₂）である。我が国は、石油危機以降積極的な省エネルギー努力を行った結果、産業部門のエネルギー利用効率は世界最高水準にあり、ＧＤＰ当りの一次エネルギー消費も米国の約３分の１、ドイツの約２分の１と他の先進国と比較して低い水準にある。
【０００４】
しかし、近年の運輸、民生部門を中心としたエネルギー消費の著しい伸びに伴い、エネルギー起因の二酸化炭素排出量は１９９５年度には１９９０年比８％強の大幅な増加となっている。このことから、京都議定書の目標の達成に向けては、直ちに最大限の対策に着手していく必要がある。
【０００５】
京都議定書において、温室効果ガスは二酸化炭素（ＣＯ₂）、メタンガス（ＣＨ₄）、亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、六フッ化硫黄（ＳＦ₆）の６種類とされているが、我が国における温室効果ガスの排出量は１９９５年度において１９９０年度比８．６％増加している。このうち、全体の9割近くを占めるとともに、経済社会活動全体と密接な関わりを持つのがエネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素である。尚、各種排ガスにおけるＣＯ₂の占める割合は、ディーゼルエンジンの排ガスにおいては約１０％、ボイラーの排ガスにおいては約１３％、下水処理場、食品工場から排出された汚泥消化ガスにおいては約４０％であることが知られている。
【０００６】
現在、多くの分野で二酸化炭素を分解・回収するための方法及び装置等の開発が進められている。特に室温付近において分離回収するものとしては、ゼオライト触媒などを用いて吸着・脱着する圧力スイング法（非特許文献１）、高分子膜を用いた膜分離法（特許文献１）、水及びアルカリ水溶液などへ溶解する方法（非特許文献２）などが開発され、これらが主流となっている。
【０００７】
また、自動車業界においては、地球温暖化対策の一つとして近年になって燃料電池自動車の開発が進められ、その燃料として利用される水素ガスの需要が高まりつつある。
【０００８】
水素ガスの工業的な製造方法としてとしては、１）水電解法、２）コークスのガス化、３）石炭の完全ガス化、４）石油類のガス化、天然ガス・コークス炉ガス・石油精製廃ガス等の変成、５）コークスガスよりの分離、６）鉄と水蒸気との反応等が知られている（非特許文献２）。
【０００９】
しかしながら、前記二酸化炭素の分離回収方法は大掛かりな装置が必要であり、また前記膜分離法は、分離膜が高価であることからイニシャルコストが高く、分離後の処理やメンテナンス、膜交換等のランニングコストも高く、さらに二酸化炭素の除去率が低いという問題がある。
【００１０】
また、前記水素ガス製造方法においては、１）の方法は水を原料とするところに長所があるが、以下の短所がある。すなわち、純水を必要とする、多数の電解槽を必要とする、電流の過不足に対する適応性が十分でない、電解液の炭酸化による老化、床面積、イニシャルコストなどに多くの問題があり、経済的に不利となる。そこで、近年においては、重油や天然ガスなどの廃ガスを水素源として利用するようになったので、２〜５）の方法が主流となっているのが現状である。
【００１１】
しかしながら、２〜６）の方法においては、設備が大掛かりとなり、イニシャルコスト及びランニングコストが増大する原因となる。さらに、水素ガス製造過程においては、一酸化炭素や二酸化炭素等の炭酸ガスを副生成させてしまい、これを除去する工程を具備せざるを得なく、水素ガスの生成効率が上がらない。
【００１２】
そこで、発明者らによって二酸化炭素の除去と水素の生成とが可能なガス処理装置の提案がなされている（特許文献２）。
【００１３】
図４は当該ガス処理装置の実施形態例を示した概略構成図である。このガス処理装置は、アノード４１とカソード４２とを設けたナトリウムイオン導電体４０のアノード４１側にナトリウムイオン源を接触させる共にカソード４２側に炭酸ガスを含んだガスを接触させ、さらにこの両極間に直流電圧を印加することにより、カソード４２側においてガス中の二酸化炭素を選択的に除去し炭酸塩の形態で分離している。ここで、被処理ガスが水を含んでいると、炭酸塩生成の過程で水素ガスが生じる。得られた炭酸塩はナトリウムイオン源として再利用でき、ランニングコストの削減もできる。また、二酸化炭素の除去量は電流密度に依存するので、被処理ガスの負荷量に応じた電流密度で設定でき、より低廉な二酸化炭素の除去が可能となっている。尚、ナトリウムイオン源としては、水酸化ナトリウム水溶液や炭酸ナトリウム水溶液や炭酸水素ナトリウム水溶液等がある。また、ナトリウムイオン導電体４０としては、β−アルミナ（Na₂O・11Al₂O₃）、ＮＡＳＩＣＯＮ（Na_1+XZr₂P_3-XSi_XO₁₂，Xは実数，0＜X＜3）等のセラミック焼結体や、高分子固体電解質等が用いられている。また、高分子固体電解質としては、過フッ素化スルホン酸ポリマー等が用いられている。
【００１４】
【非特許文献１】
長倉三郎他編「理化学辞典」、岩波書店
【００１５】
【非特許文献２】
化学大辞典編集委員会編「化学大辞典」、共立出版
【００１６】
【特許文献１】
特許第２５２１８８４号公報（第２〜４頁）
【００１７】
【特許文献２】
特開２００３−０３８９３４（段落番号（００１４）〜（００３２）及び図１）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
被処理ガスを特許文献２記載のガス処理システムによって大量処理する場合、当該システムはできるだけ被処理ガスとの接触表面積を広く確保したナトリウムイオン導電体を採用したガス処理装置を複数積層してユニットを形成し、このユニットをさらに直列または並列に複数配置した形態を採っている。
【００１９】
例えば図４に示されたガス処理装置は、アノード４１とカソード４２とを設けたナトリウムイオン導電体４０を塗布・焼結した１枚のナトリウムイオン導電体にパッキン４１１，４２１を介在させてアノード容器４１２、カソード容器４２２を取り付けてボルト４４とナット４５等の固定手段で固定してなる。ナトリウム導電体４０は絶縁体からなる枠体４０１に組み込まれている。アノード４１及びカソード４２には図示省略した電源と接続させる導体４１０，４２０がそれぞれ接続されている。導体４１０，４２０は、アノード容器４１２、カソード容器４２２に設けた穴若しくはパッキン４１１，４２１との隙間等から引き出されている。図示されたように、ここでは、２つのガス処理装置が絶縁部材４３を介して縦方向に積層されることでユニットが構成される。このユニットはさらに直列または並列に接続することで、被処理ガスの大量処理が実現する。
【００２０】
しかしながら、図示された従来のガス処理装置の構造では、以下の問題点が発生するため、ガスの大量処理に弊害が生じる。すなわち、反応の場を広げるためにアノード容器４１２及びカソード容器４２２の有効反応容積を大きく確保しなければならないが、ナトリウムイオン導電体がＮＡＳＩＣＯＮのようなセラミック焼結体である場合、弾性強度の観点から反応面積が最大でも１００ｍｍ×１００ｍｍ程度までしか確保できない。したがって、被処理ガスを大量に処理する場合、前記導電体を有するガス処理装置を備えたユニットを少なくとも被処理ガスの処理量に応じた台数製造しなければならない。また、このとき、複数のユニットを直接配置または並列配置する場合には組み立て作業が煩雑で設備も複雑且つ大型化したものとなる。特に、ユニットごとにガス処理装置内の電極の導体を引き込まなければならないので、集電構成が複雑なものとなる。
【００２１】
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その目的は二酸化炭素成分の除去と水素の生成を行なうガス処理において被処理ガスの負荷を高めることができるガス処理装置の提供にある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のガス処理装置は、複数のナトリウムイオン導電体を有する導電体支持部材と、前記ナトリウムイオン導電体と同数のアノードを有し直流電源と導通するアノード支持部材と、前記ナトリウムイオン導電体と同数のカソードを有し前記直流電源と導通するカソード支持部材とを積層してなる積層体を、容器内に備えて、この容器内に前記アノードを有する反応室と前記カソードを有する反応室とを形成し、前記アノードを有する反応室にはナトリウムイオン源を流通させると共に前記カソードを有する反応室には被処理ガスを流通させ、さらに前記直流電源によって前記積層体の両極間に直流電圧を印加することにより、前記カソードを有する反応室において被処理ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去すると共に水素を生成することを特徴とする
【００２３】
本発明によれば、単一の導電体支持部材に複数のナトリウムイオン導電体を設けるようにしたので、被処理ガスとの反応面積が増加し、被処理ガスの負荷を高めることができる。また、複数のアノードを備え直流電源と導通するアノード支持部材と、複数のカソードを備え同直流電源と導通するカソード支持部材とを備えたことで、各アノード及び各カソードに直流電圧を印加することができるので、各電極に直流電源を接続させるための導体を配する手間を省くことができる。ここで、前記容器内に前記積層体を複数備え、各積層体はアノードを有する面同士が対面するようにまたカソードを有する面同士が対面するように設けることで、前記容器内に前記アノードを有する反応室と前記カソードを有する反応室とからなる一対の反応室を複数形成させると、被処理ガスとの反応面積を少なくとも請求項１記載のガス処理装置の２倍以上確保することが可能となり、被処理ガスの負荷をより一層高めることができる。また、このガス処理装置においては、アノード同士及びカソード同士が対面しているので、電極同士の接続が簡単になる。さらに、前記容器内において各積層体を縦置きに設けると、ナトリウムイオン源が供される反応室においては発生したガスをスムーズに排出できると共に互いに対面したアノード面に対してナトリウムイオン源を均一に供給することができる。また、被処理ガスが供される反応室においては生成した炭酸塩溶液が重力によって自然流下するので吸蔵させた炭酸塩を容易に系外除去できる。尚、前記アノード支持部材及び前記カソード支持部材の端部に前記直流電源と導通させる導体を接続する導体接続部を設けると、従来のように導体を装置内までに導入させる必要がなくなりメンテナンスも容易となる。
【００２４】
また、請求項５記載のガス処理装置は、導電性の材料からなる容器内に複数のナトリウムイオン導電体を有する導電体支持部材を複数設けて複数の反応室を形成し、さらに各反応室には直流電源と導通する電極棒を備え、
前記導電体支持部材を介して隣接する二つの反応室において一方の反応室にはナトリウムイオン源を流通させると共に他方の反応室には被処理ガスを流通させ、さらに前記直流電源によってこれらの反応室間に直流電圧を印加することにより、前記他方の反応室において被処理ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去すると共に水素を生成することを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、複数のナトリウムイオン導電体を有する導電体支持部材を介して隣接する二つの反応室における一方の反応室にナトリウムイオン源を、また他方の反応室に被処理ガスを流通させることで、被処理ガスとの反応面積を少なくとも請求項１記載のガス処理装置の２倍以上確保することが可能となり、被処理ガスの負荷をより一層高めることができる。また、容器を導電性の材料で構成し、この容器に電極棒を設けたことで、アノード支持部材及びカソード支持部材を省略することができるので、装置が簡略なものとなる。ここで、本発明における容器内においても、導電体支持部材を縦置きに設けると、ナトリウムイオン源が供される反応室においては発生したガスをスムーズに排出できると共に互いに対向した導電体面に対してナトリウムイオン源を均一に供給することができる。また、被処理ガスが供される反応室においては生成した炭酸塩溶液が重力によって自然流下するので吸蔵させた炭酸塩を容易に系外除去できる。尚、前記容器において前記電極棒と前記直流電源とを導通させる導体を接続する導体接続部を設けると、従来のように導体を装置内までに導入させる必要がなくなりメンテナンスも容易となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００２７】
（実施形態１）
図１は本発明のガス処理装置の実施形態例を示した概略図で、（ａ）はガス処理装置の横断面の概略構成を、（ｂ）はガス処理装置に設けられる導電体支持部材とアノード支持部材とカソード支持部材の概略構成を示す。
【００２８】
図１に示されたように、本実施形態のガス処理装置は、積層体１を容器１３内に備えることで、反応室１３１と反応室１３２とを形成する。積層体１は導電体支持部材１０とアノード支持部材１１とカソード支持部材１２とを積層してなる。
【００２９】
導電体支持部材１０は複数のナトリウムイオン導電体４０を有する。すなわち、導電体支持部材１０は、図１（ｂ）に示したように、板状部材にナトリウムイオン導電体４０を組み込み固定する孔１００を複数設ける。そして、孔１００にナトリウムイオン導電体４０が組み込まれ固定される。このとき、孔１００とナトリウムイオン導電体４０との隙間にテフロンシール材やエポキシ樹脂などをシールする等の液漏れ防止処置が適宜施される。また、ナトリウムイオン導電体４０を固定するための掘り込み加工を行なってもよい。図示された孔１００は６つ形成されているが、孔１００の口径及び個数は被処理ガスの処理量やナトリウムイオン導電体４０の弾性強度に応じて定まる。前記板状部材は耐アルカリ絶縁材料を採用するとよい。ナトリウムイオン導電体４０としては、β−アルミナ（Na₂O・11Al₂O₃）、ＮＡＳＩＣＯＮ（Na_1+XZr₂P_3-XSi_XO₁₂，Xは実数，0＜X＜3）、高分子固体電解質等を用いることができる。高分子固体電解質としては、過フッ素化スルホン酸ポリマーがある。また、フッ素樹脂または塩化ビニル樹脂を基材とするものが挙げられる。さらには、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物を母体とするスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、またはフェノールスルホン酸樹脂等を含ませて形成したものが例示される。
【００３０】
アノード支持部材１１は、ナトリウムイオン導電体４０と同数のアノード４１を有する。すなわち、アノード支持部材１１は、アノード４１を組み込み固定する孔１１０を複数有する。孔１１０は、導電体支持部材１０の孔１００と同数設けられ、アノード支持部材１１が導電体支持部材１０に積層されたときアノード４１がナトリウムイオン導電体４０と接触できるように、孔１００と重なるように形成される（図１（ａ）（ｂ））。アノード４１は、金属類、例えばＰｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉ、若しくはこれらの酸化物等を主成分とし、例えばメッシュ状に形成される。アノード４１は、溶接やエポキシ樹脂などで固定した後に導電性ペーストを塗布してアノード支持部材１１と電気的に導通可能となるように固定される。また、アノード４１の厚さを図示されているようにアノード支持部材１１の厚さよりも小さく設定すると、ナトリウムイオンの泳動距離が短くなるので、ナトリウムイオンをより迅速にナトリウムイオン導電体４０に供することができる。尚、アノード支持部材１１の端部には、直流電源１４の正極と導通させる導体１４１を接続するための導体接続部１１１が設けられている。
【００３１】
カソード支持部材１２も、ナトリウムイオン導電体と同数のカソード４２を有する。そして、アノード支持部材１１と同様に、金属類からなりカソード４２を組み込み固定する孔１２０を有する。孔１２０は、導電体支持部材１０の孔１００と同数設けられ、カソード支持部材１２が導電体支持部材１０に積層されたときカソード４２がナトリウムイオン導電体４０と接触できるように、孔１００と重なるように形成される（図１（ａ）（ｂ））。カソード４２も、前記金属類若しくはこれらの酸化物等を主成分し、メッシュ状等に形成される。そして、前述のように、溶接やエポキシ樹脂等で固定した後に前記導電性ペーストの塗布によってカソード支持部材１２と電気的に固定される。また、アノード４１と同様に、カソード４２の厚さをカソード支持部材１２の厚さよりも小さく設定すると、ナトリウムイオンの泳動距離が短くなるので、ナトリウムイオンをより迅速に被処理ガスに供することができる。尚、カソード支持部材１２の端部には、直流電源１４の負極と導通させる導体１４２を接続するための導体接続部１２１が設けらている。
【００３２】
容器１３は、テフロン、セラミックに例示される耐アルカリの絶縁性材料からなる。そして、積層体１は、図１に示されたように、等容積に二分割させた容器１３の間にパッキンを介して挟みボルト１５とナット１６で固定することで容器１３内に設けられる。また、積層体１は容器１３において縦置きに設けると、反応室１３１においては、発生したガスをスムーズに排出できると共に常にナトリウムイオン源を互いに対面した各アノード４１に対して均一にナトリウムイオン導電体に接触させることができる。このとき反応室１３２においてはカソード４２表面で生成した炭酸塩溶液は重力によって自然流下し、吸蔵させた炭酸塩を容易に系外除去できる。尚、パッキンが絶縁性を有し、容器１３とアノード支持部材１１とカソード支持部材１２との間で絶縁が確保できるのであれば、容器１３の材料は絶縁性材料に限定しないでステンレス等の金属類を採用してもよい。
【００３３】
本実施形態のガス処理装置の動作例について述べる。ここでは、ナトリウムイオン源が水酸化ナトリウム水溶液（以下、ＮａＯＨ水溶液）で、被処理ガスがメタン（ＣＨ₄）と二酸化炭素（ＣＯ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）を含んだガスである場合について述べる。
【００３４】
本実施形態におけるガス処理は、アノード４１とカソード４２のと間に直流電圧を印加することによって行われる。先ず、反応室１３１内においてＮａＯＨ水溶液を流通させると共に、反応室１３２内において被処理ガスを流通させる。ここで、アノード４１とカソード４２の両極間に直流電源１４から直流電圧を印加すると、ＮａＯＨ水溶液によって浸漬されている各アノード４１表面において以下の反応が起こる。
【００３５】
ＮａＯＨ → Ｎａ⁺＋ＯＨ^- …（１）
２ＯＨ^- → １／２Ｏ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ ＋ ２ｅ^- …（２）
このとき、ナトリウムイオン（Ｎａ⁺）は、アノード４１を通過し、ナトリウムイオン導電体４０を泳動し、カソード４２に達する。一方、アノード４１側で遊離した電子（ｅ^-）は、電源１４を経由して、カソード４２に達する。
【００３６】
ここで、気相中の二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水分（Ｈ₂Ｏ）がカソード４２表面に接触すると、以下の反応が起こる。
【００３７】
Ｎａ⁺＋ｅ^-＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ → ＮａＨＣＯ₃ ＋ １／２Ｈ₂ …（３）
２Ｎａ⁺＋ ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ ＋２ｅ^- → Ｎａ₂ＣＯ₃ ＋ Ｈ₂ …（４）
このようにして、二酸化炭素成分は炭酸塩の形態でカソード４２表面に固定されることで分離除去されると共に水成分は水素ガスに変換される。ここで、カソード４２で生成した炭酸塩には系外から水を散布してやると、炭酸塩は容易に水溶液化され、炭酸塩の系外除去が容易となり、連続的な二酸化炭素の除去と水素の生成が可能となる。
【００３８】
被処理ガスは、ガス中の二酸化炭素濃度が検出されない程度までに反応室１３２，１３４に循環供給してもよい。また、生成した炭酸塩水溶液は、処理ガスと共に図示省略した気液分離槽にて気液分離処理するとよい。気液分離槽は、滞留させた炭酸塩水溶液によってガス中の二酸化炭素を吸収除去する。また、炭酸塩水溶液は、図示省略した再生槽にて水酸化ナトリウム水溶液に変換してナトリウムイオン源として再利用すればよい。再生槽としては例えば特願２００２−３４３５０８（段落番号（００６０）〜（００７７）及び図５）に開示されたものがある。
【００３９】
また、被処理ガスが汚泥消化ガスやバイオガスのようなメタンを含んだガスである場合、このガスを本実施形態のガス処理装置に供することで、高エネルギーガスを得ることできる。例えば、下水処理場で発生する汚泥消化ガスや家畜糞尿設備で発生するバイオガスは有用なエネルギー源として活用が可能であるが、従来の技術においては特に中小容量の処理場において熱源としての用途しか見出すことができなかった。その一つの理由としては、メタンガス濃度が低いことが挙げられる。そこで、汚泥消化ガスやバイオガスを前記ガス処理装置に供することで、これらのガスをメタンや水素に富んだ高エネルギーガスに変換させることができる。この高エネルギーガスは、燃料電池やガスタービン等の燃料またはその他の燃料として売却するなどの有効利用ができる。
【００４０】
（実施形態２）
図２は本実施形態のガス処理装置を示した概略図である。尚、実施形態１記載の構成要素と同じ構成要素には同符号を付してその説明を適宜省略した。
【００４１】
本実施形態のガス処理装置は、実施形態１のガス処理装置の容器１３内に積層体１を少なくとも二つ以上備えて複数の反応室を形成している。本実施形態では容器１３内に積層体１を三つ備えて反応室１３１，１３２，１３３，１３４を形成している。各積層体１は導体接続部１１１，１２１に接続された導体１４１，１４２を介して電源１４と導通している。尚、容器１３内への積層体１の据付は先の実施形態と同様の要領で行なえばよい。
【００４２】
また、本実施形態において各積層体１はアノード４１を有する面同士が対面するようにまたカソード４２を有する面同士が対面するように設けられている。そして、アノード４１を有する反応室１３１，１３３にはナトリウムイオン源を流通させると共にカソード４２を有する反応室１３２，１３４には被処理ガスを流通させている。かかる形態から明らかなように、被処理ガスとの反応面積は少なくとも実施形態１のガス処理装置の２倍以上まで確保できるので、被処理ガスの負荷をより一層高めることができる。したがって、二酸化炭素の除去と水素の生成効率が向上する。
【００４３】
さらに、積層体１は容器１３において縦置きに据付けると、反応室１３１，１３３においては発生したガスをスムーズに排出できると共に、常にナトリウムイオン源を互いに対面した各アノード４１に対して均一にナトリウムイオン導電体４０に接触させることができる。また、反応室１３２，１３４においてはカソード４２表面で生成した炭酸塩溶液は重力によって自然流下し、吸蔵した二酸化炭素成分を容易に系外除去できる。
【００４４】
（実施形態３）
図３は本実施形態のガス処理装置を示した概略図である。尚、実施形態１及び２記載の構成要素と同じ構成要素には同符号を付してその説明を適宜省略した。
【００４５】
本実施形態のガス処理装置は、容器１３内に導電体支持部材１０を複数備えて複数の反応室を形成している。容器１３内へ導電体支持部材１０の据付は実施形態２と同じ要領に基づく。本実施形態では、三枚の導電体支持部材１０が容器１３内に設けられ反応室１３１，１３２，１３３，１３４が形成され、反応室１３１，１３３にナトリウムイオン源を流通させると共に、反応室１３２，１３４には被処理ガスを流通させている。
【００４６】
導電体支持部材１０は、ナトリウムイオン導電体４０を固定支持する孔１００を複数備える。このとき、孔１００とナトリウムイオン導電体４０と隙間はシール部材によって気密及び液密に封止される。また、導電体支持部材１０は容器１３において縦置きに設けると、反応室１３１，１３３においては発生したガスをスムーズに排出できると共に互いに対向した導電体面に対してナトリウムイオン源を均一に供給することができ、反応室１３２，１３４においては生成した炭酸塩溶液が重力によって自然流下するので吸蔵させた炭酸塩を容易に系外除去できる。
【００４７】
容器１３（反応室１３１，１３２，１３３，１３４）は、耐食性で導電性の材料からなる。当該材料としてはステンレスやカーボンブラック等が例示される。各反応室は室内に電極棒３１を備える。電極棒３１は、反応室の外面に具備された導体接続部に接続された導体を介して直流電源１４と導通する。本実施形態では、反応室１３１，１３３内に設置された電極棒３１は、導体接続部３１１，３１３に接続された導体１４１を介して直流電源１４の正極と導通させている。また、反応１３２，１３４内に設置された電極棒３１は導体接続部３１２，３１４に接続された導体１４２を介して直流電源１４の正極と導通させている。
【００４８】
電極棒３１は前記実施形態のアノード４１及びカソード４２の材料と同種の金属類からなるものを採用すればよい。また、電極は棒状のものに限定されない。例えば、ナトリウムイオン源が導入される反応室内においてはナトリウムイオン源自身の導電率が高いため電極板などは設けなくてもよいが、陽極酸化が生じないＰｔ、Ａｕ等からなるメッシュ状の電極を用いるとよい。一方、被処理ガスが導入される反応室においては酸化反応が生じないため、安価な材料、例えばステンレス類、Ｎｉ等からなるスポンジ状またはメッシュ状の電極を用いてもよい。
【００４９】
本実施形態におけるガス処理は、電極棒３１１，３１３と電極棒３１２，３１４のと間に直流電圧を印加することによって行われる。すなわち、反応室１３１，１３３内においてナトリウムイオン源（例えばＮａＯＨ水溶液）を流通させると共に、反応室１３２，１３４内において被処理ガス（例えば汚泥消化ガスのようなメタンや二酸化炭素や水分を含んだガス）を流通させる。ここで、電極棒３１１，３１３と電極棒３１２，３１４の両極間に電源１４から直流電圧を印加すると、反応室１３１，１３３においてはＮａＯＨ水溶液によって浸漬されているナトリウムイオン導電体４０表面で前記（１）及び（２）の反応が起こる。このとき、ナトリウムイオン（Ｎａ⁺）は、ナトリウムイオン導電体４０を泳動し反応室１３２，１３４側に移動する。この際、反応室１３１，１３３内で遊離した電子（ｅ^-）は、電源１４を経由して反応室１３２，１３４内の電極棒３１に達する。このとき、反応室１３２，１３４内の気相中の二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水分（Ｈ₂Ｏ）がナトリウムイオン導電体４０の表面に接触すると、前記（３）及び（４）の反応が起こり、二酸化炭素成分は炭酸塩の形態で前記導電体表面に固定されることで分離除去されると共に水成分は水素ガスに変換される。
【００５０】
被処理ガスは、ガス中の二酸化炭素濃度が検出されない程度までに反応室１３２，１３４に循環供給してもよい。生成した炭酸塩には、実施形態１と同様に系外から水を散布してやるとよい。また、生成した炭酸塩水溶液は処理ガスと共に前記気液分離槽にて気液分離処理すればよい。さらに、炭酸塩水溶液は、前記再生槽にて水酸化ナトリウム水溶液に変換してナトリウムイオン源として再利用すればよい。そして、本実施形態のガス処理装置で得られたメタンや水素に富んだガスは、燃料電池やガスタービン等の燃料またはその他の燃料として売却するなどの有効利用ができる。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１記載のガス処理装置によれば、単一の導電体支持部材に複数のナトリウムイオン導電体を設けるようにしたので、被処理ガスとの反応面積が増加し、被処理ガスの負荷を高めることができる。また、複数のアノードを備え直流電源と導通するアノード支持部材と、複数のカソードを備え同直流電源と導通するカソード支持部材とを備えたことで、各アノード及び各カソードに直流電圧を印加することができるので、各電極に直流電源を接続させるための導体を配する手間を省くことができる。
【００５２】
請求項２記載のガス処理装置によれば、前記被処理ガスが供される容器内に前記導電体支持部材と前記アノード支持部材と前記カソード支持部材とからなる積層体を複数備え、各積層体はアノードを有する面同士が対面するようにまたカソードを有する面同士が対面するように設けたことで、請求項１記載のガス処理装置の作用効果に加え、被処理ガスとの反応面積を少なくとも請求項１記載のガス処理装置の２倍以上確保することが可能となり、被処理ガスの負荷をより一層高めることができる。また、アノード同士及びカソード同士が対面しているので電極同士の接続が簡単になる。
【００５３】
請求項３記載のガス処理装置によれば、請求項１及び２記載のガス処理装置における容器内において積層体を縦置きに設けたことで、請求項１及び２記載のガス処理装置の作用効果に加え、アノードを有する反応室においては発生したガスをスムーズに排出できると共に互いに対面したアノード面に対してナトリウムイオン源を均一に供給することができる。また、カソードを有する反応室においては生成した炭酸塩溶液が重力によって自然流下するので吸蔵させた炭酸塩を容易に系外除去できる。
【００５４】
請求項４記載のガス処理装置によれば、請求項１から３記載のガス処理装置におけるアノード支持部材及びカソード支持部材の端部に直流電源と導通させる導体を接続する導体接続部を設けたことで、請求項１から３記載のガス処理装置の作用効果に加え、従来のように導体を装置内までに導入させる必要がなくなりメンテナンスも容易となる。
【００５５】
請求項５記載のガス処理装置によれば、被処理ガスが供される容器内に複数のナトリウムイオン導電体を有する導電体支持部材を備え、この導電体支持部材を介して隣接する二つの反応室における一方の反応室にナトリウムイオン源を、また他方の反応室には被処理ガスを流通させたことで、被処理ガスとの反応面積を少なくとも請求項１記載のガス処理装置の２倍以上確保することが可能となり、被処理ガスの負荷をより一層高めることができる。また、前記容器を導電性の材料で構成し、この容器に電極棒を設けたことで、アノード支持部材及びカソード支持部材を省略することができるので、装置が簡略なものとなる。
【００５６】
請求項６記載のガス処理装置によれば、請求項５記載のガス処理装置における容器内において、導電体支持部材を縦置きに設けたことで、請求項５記載のガス処理装置の作用効果に加え、ナトリウムイオン源が供される反応室においては発生したガスをスムーズに排出できると共に互いに対向したナトリウムイオン導電体面に対してナトリウムイオン源を均一に供給することができる。また、被処理ガスが供される反応室においては生成した炭酸塩溶液が重力によって自然流下するので吸蔵させた炭酸塩を容易に系外除去できる。
【００５７】
請求項７記載のガス処理装置によれば、請求項５及び６記載のガス処理装置における容器にも電極棒と直流電源とを導通させる導体を接続する導体接続部を設けたことで、請求項５及び６記載のガス処理装置の作用効果に加え、従来のように導体を装置内までに導入させる必要がなくなりメンテナンスも容易となる。
【００５８】
以上のように、本発明のガス処理装置によれば、二酸化炭素成分の除去と水素の生成を行なうガス処理において被処理ガスの負荷を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス処理装置の実施形態例を示した概略図で、（ａ）はガス処理装置の横断面の概略構成を、（ｂ）はガス処理装置に設けられる導電体支持部材とアノード支持部材とカソード支持部材の概略構成を示す。
【図２】本発明の実施形態例（実施形態２）を示した概略図。
【図３】本発明の実施形態例（実施形態３）を示した概略図。
【図４】従来のガス処理装置の構成を示した概略図。
【符号の説明】
１０…導電体支持部材、１００…孔、４０…ナトリウムイオン導電体
１１…アノード支持部材、１１０…孔、４１…アノード
１２…カソード支持部材、１２０…孔、４２…カソード
１１１，１２１，３１１，３１２，３１３，３１４…導体接続部
１３…容器
１４…直流電源、１４１，１４２…導体
１５…ボルト、１６…ナット
３０…シール部材、３１…電極棒

Claims (7)

1. 複数のナトリウムイオン導電体を有する導電体支持部材と、前記ナトリウムイオン導電体と同数のアノードを有し直流電源と導通するアノード支持部材と、前記ナトリウムイオン導電体と同数のカソードを有し前記直流電源と導通するカソード支持部材とを積層してなる積層体を、容器内に備えて、この容器内に前記アノードを有する反応室と前記カソードを有する反応室とを形成し、
   前記アノードを有する反応室にはナトリウムイオン源を流通させると共に前記カソードを有する反応室には被処理ガスを流通させ、さらに前記直流電源によって前記積層体の両極間に直流電圧を印加することにより、前記カソードを有する反応室において被処理ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去すると共に水素を生成すること
   を特徴とするガス処理装置。
2. 前記容器内に前記積層体を複数備え、各積層体はアノードを有する面同士が対面するようにまたカソードを有する面同士が対面するように設けることで、前記容器内に前記アノードを有する反応室と前記カソードを有する反応室とからなる一対の反応室を複数形成したこと
   を特徴とする請求項１記載のガス処理装置。
3. 前記容器内において積層体は縦置きに設けたこと
   を特徴とする請求項１または２記載のガス処理装置。
4. 前記アノード支持部材及び前記カソード支持部材の端部に前記直流電源と導通させる導体を接続するための導体接続部を設けたこと
   を特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載のガス処理装置。
5. 導電性の材料からなる容器内に複数のナトリウムイオン導電体を有する導電体支持部材を複数設けて複数の反応室を形成し、さらに各反応室には直流電源と導通する電極棒を備え、
   前記導電体支持部材を介して隣接する二つの反応室において一方の反応室にはナトリウムイオン源を流通させると共に他方の反応室には被処理ガスを流通させ、さらに前記直流電源によってこれらの反応室間に直流電圧を印加することにより、前記他方の反応室において被処理ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去すると共に水素を生成すること
   を特徴とするガス処理装置。
6. 前記容器内において各絶縁部材は縦置きに設けたこと
   を特徴とする請求項５記載のガス処理装置。
7. 前記容器には前記電極棒と前記直流電源とを導通させる導体を接続するための導体接続部を設けたこと
   を特徴とする請求項５または６記載のガス処理装置。

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