JP7013778B2 - 光エネルギー利用システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光などを利用して光合成などを行う光エネルギー利用システムに関する。

非特許文献１には、一般的な人工光合成のシステムが記載されており、水に二酸化炭素（ＣＯ_２）を溶解したものを原料としてギ酸を生成させる、いわゆる人工光合成システムが示されている。

J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15240-15243

非特許文献１にあるような従来の人工光合成システムでは、人工光合成によって得られる合成物が、一酸化炭素や、ギ酸であり、どのような用途に利用するかについて検討がなされていなかった。そこで、合成物の有効利用に問題があった。

本発明は、光エネルギーを利用して、原料から合成物を生成する光エネルギー利用システムであって、入射してくる光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池と、原料キャリアに原料を投入する原料投入部と、原料投入部からの原料を含む原料キャリアと接触する陽極および陰極を含み、太陽電池からの出力を陽極と陰極の間に印加して、陽極または陰極に接触する原料を含む原料キャリアから合成物を生成する合成部と、合成部からの合成物を含む原料キャリアから熱を回収し温度を低下させる熱交換手段と、熱交換手段で温度低下した合成物を含む原料キャリアから合成物を回収する回収手段と、回収した合成物を被反応物と反応させるとともに、熱交換手段で回収した熱により加熱して、反応生成物を得る二次反応装置と、を有し、合成物はギ酸であり、被反応物は過酸化水素であり、反応生成物は過ギ酸である。

また、二次反応装置において生成した過ギ酸を用いて、加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解することが好適である。

また、合成部から排出される原料キャリアから熱エネルギーを回収した過ギ酸を用いて、加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解する際に、回収した熱を利用することが好適である。

また、過酸化水素は、光触媒を利用して、合成部の陽極において得られた酸素と水とから生成することが好適である。

本発明によれば、人工光合成パネルで合成した合成物を有効に利用することができる。

実施形態１に係る光エネルギー利用システムの概略構成を示すブロック図である。 実施形態２に係る光エネルギー利用システムの概略構成を示すブロック図である。 人工光合成パネルの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「実施形態１」
＜システム構成＞
図１に、実施形態１に係る光エネルギー利用システムの概略構成を示す。人工光合成パネル１は、光（通常は太陽光）の照射を受け、人工光合成反応を生起する。ＣＯ_２を溶解した電解液（原料キャリア）を受け入れ、これが陽極および陰極と接触することで、酸化還元反応を生起して、陽極において自ら酸素を発生するとともに、陰極においてＣＯ_２から一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）などを発生する。すなわち、入射してくる光を太陽電池で受け、電気エネルギーに変換すること（光電変換）によって直流電力を生成し、この直流電力を陽極／陰極間に印加して酸化還元反応を生起する。なお、陽極には酸化触媒、陰極には還元触媒が含まれており、所望の酸化還元反応を促進する。また、この実施形態では、ギ酸を生成することを目的としている。

人工光合成パネル１からは、反応物を含む原料キャリアが排出されてきて、これが気体分離装置２に導入される。この気体分離装置２では、主に陽極で発生される酸素（Ｏ_２）が分離される。分離された酸素は、気体蓄積装置７に導入され、蓄積される。Ｏ_２は、適宜用途に利用されるが、安全な手段で廃棄してもよい。

気体分離装置２で、気体が分離された反応物を含む原料キャリアは、熱交換装置３に導入され、ここで熱を放出する。人工光合成パネル１には太陽光が照射され、これによって人工光合成パネル１内の原料キャリアが加熱される。太陽電池は、赤外線など長波長側の光を利用せず、これらは原料キャリアに吸収され、原料キャリアの温度が上昇する。そして、熱交換装置３において、原料キャリアから熱が回収され、その温度が低下する。

熱交換装置３で得られた熱は蓄熱装置８に蓄えられる。蓄熱装置８は、熱媒体を利用してもよいが化学反応を利用するものも好ましい。蓄熱装置８に蓄えられた熱は各種の加熱用途に利用される。

熱交換装置３で、熱を放出した反応物を含む原料キャリアは、回収手段としての反応物分離装置４に導入される。ギ酸などの反応物の回収方法は、公知の方法が利用できるが、たとえば冷却したり、吸着するなどの方法が好ましい。

反応物分離装置４で、ギ酸などの反応物が分離された原料キャリアは、原料キャリア循環装置５に供給される。この原料キャリア循環装置５は、液体ポンプなどで構成され、反応物分離装置４からの原料キャリアを送出する。

循環手段としての原料キャリア循環装置５から送出された原料キャリアは、原料投入装置６に供給され、ここで、原料としてＣＯ_２が溶解される。すなわち、人工光合成パネル１において還元反応によって消費されたＣＯ_２や水が補充される。そして、ＣＯ_２を含む原料キャリアが人工光合成パネル１に供給される。なお、原料キャリアは、電解液として燐酸バッファを使用し、原料としてＣＯ_２を使用する。

ここで、合成部としての人工光合成パネル１に供給される原料キャリアは、熱交換装置３で温度が下げられているので、原料投入装置６で投入するＣＯ_２の溶存ガス量を低下させないので、人工光合成パネル１での光合成効率の低下を抑制することができる。

このように、原料キャリアが循環され、気体蓄積装置７にガスが分離され、熱交換装置３で熱が分離され、反応物分離装置４において人工光合成の合成物であるギ酸などが分離される。

また、反応物分離装置４で分離された反応物（合成物：ギ酸）は、反応物蓄積装置９に供給され、ここに蓄積される。単に、分離された反応物の水溶液（ギ酸水溶液）を貯留するだけでもよいが、ここで濃縮したりしてもよい。

反応物蓄積装置９からの反応物は、二次反応装置１０に供給される。この二次反応装置１０では、合成反応、酸塩基反応、分解反応、乾燥などを行う。二次反応物としては種々のものが想定できる。ここでは、例えば、二次反応物（反応生成物）として過ギ酸（ＨＣＯＯ_２Ｈ）の場合について説明する。

反応物蓄積装置９に蓄積したギ酸水溶液を二次反応装置１０に移送する。また、二次反応追加原料供給装置１１から過酸化水素水（被反応物：Ｈ_２Ｏ_２）を二次反応装置１０に投入する。そこで、反応物蓄積装置９からのギ酸と、二次反応追加原料供給装置１１からの過酸化水素水から二次反応装置１０で過ギ酸が生成される。

このようにして二次反応装置１０において生成された過ギ酸を含む溶液は、二次反応物蓄積装置１２に蓄積される。

従って、二次反応装置１０において得られた過ギ酸を各種の用途に使用することができる。

ここで、過ギ酸を生成することが目的ではなく、例えば、廃タイヤから取出した加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解させることが目的とすることもできる。この場合、二次反応装置１０に、加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体をさらに加えればよい。これによって、二次反応装置１０において、加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解することができ、分解生成物を燃料等に利用することができる。

さらに、蓄熱装置８に蓄積した熱を二次反応装置１０に供給する。二次反応装置１０において、加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解する場合、分解に必要な熱エネルギーを加える必要がある。本実施形態１では、分解に必要な熱エネルギーの一部を蓄熱装置８から供給することができる。従って、反応のために新たに必要となる熱エネルギーの生成量を抑制することができるので、さらなる省エネルギーとなる。

「実施形態２」
図２に、実施形態２に係る光エネルギー利用システムの概略構成を示す。人工光合成パネル１、気体分離装置２、熱交換装置３、反応物分離装置４、原料キャリア循環装置５、原料投入装置６、気体蓄積装置７、蓄熱装置８、反応物蓄積装置９の構成は、実施形態１と同じである。

実施形態２では、二次反応装置１０において、被分解物を分解する。すなわち、実施形態２では、実施形態１をさらに進め、廃タイヤから取出した加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解させる。

本実施形態２では、気体蓄積装置７には酸素を蓄積する。気体蓄積装置７の酸素を別系統反応装置２２に移送する。また、別系統反応追加原料供給装置２１から水を別系統反応装置２２に投入する。別系統反応装置２２には光触媒装置が設けられており、光（太陽光）エネルギーにより酸素と水から過酸化水素水が生成される。生成された過酸化水素水は、別系統反応物蓄積装置２３に蓄積される。なお、別系統反応装置２２は、合成反応、酸塩基反応、分解反応、乾燥、などを行う容器として使用することもできる。

反応物蓄積装置９に蓄積したギ酸水溶液を二次反応装置１０に移送する。量的に不足する場合は外部から不足分を加える。別系統反応物蓄積装置２３から過酸化水素水を二次反応装置１０に投入する。過酸化水素水も量的に不足する場合は外部から不足分を加える。

二次反応装置１０に被分解物投入装置２４から、廃タイヤから取出した加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体チップを投入する。

これにより、二次反応装置１０で、過ギ酸により、加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解する。分解物等は分解物蓄積装置２５に搬送され、蓄積される。分解物は、燃料などに使用される。

ここで、二次反応装置１０には、蓄熱装置８から熱エネルギーが供給される。従って、二次反応装置１０における加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体の分解に必要な熱エネルギーの一部を蓄熱装置８から供給することができる。このため、反応のために新たに必要となる熱エネルギーの生成量を抑制することができるので、さらなる省エネルギーとなる。

なお、二次反応装置１０は、合成反応、酸塩基反応、分解反応、乾燥、などを行う容器としても使用できる。

「人工光合成パネル１の構成」
人工光合成パネル１の具体的な構成例を図３に示す。基体４０は、例えば上下が開放された四角形の枠体である。プラスチックなどの絶縁体で形成されている。基体４０の底部には、酸化触媒機能を有する酸化電極４２が配置され、基体４０の底部を閉じている。酸化電極４２の下面は露出しているが、保護材などでカバーしても構わない。

酸化電極４２の上方には、所定の間隔をおいて還元触媒機能を有する還元電極４４が配置されている。そして、酸化電極４２および還元電極４４は、基体４０に対し、水密に接続されており、酸化電極４２と還元電極４４との間の空間が反応室４６となっている。そして、この反応室４６に外部からの原料キャリア（例えば、ＣＯ_２が溶解された燐酸バッファ）が循環される。

還元電極４４の上方には、光電変換部を構成する、結晶シリコン太陽電池４８が配置され、その上方に透明カバー５０が配置されて、基体４０の上部が閉じられている。

そして、結晶シリコン太陽電池４８の正極が酸化電極４２に電気的に接続され、負極が還元電極４４に接続される。また、結晶シリコン太陽電池４８は、電池セル４８ａを４つ直列接続して形成されている。電池セル４８ａは、０．５Ｖ程度の出力であり、４つ直列接続することで、２Ｖ程度の出力電圧が得られる。ここで、結晶シリコン太陽電池４８は、結晶シリコン／アモルファスシリコンのヘテロ接合を用いたヘテロ結合型のシリコン太陽電池を含む。なお、電池セル４８ａの直列接続個数は４～６個とする。５，６個とすることで出力電圧に余裕ができ、劣化等により出力電圧が下がっても、必要とされる電圧を維持できる。

また、電池セル４８ａを複数個並列接続したものを４～６個直列接続したり、４～６個の電池セル４８ａを直列接続したものを複数個並列接続したりすることも好適である。

このような人工光合成セルに光、例えば太陽光が照射されると、結晶シリコン太陽電池４８が２Ｖ程度の電圧を出力する。これによって、酸化電極４２と、還元電極４４との間に、２Ｖ程度の電圧が印加される。そこで、反応室４６内の原料キャリアが酸化電極４２と、還元電極４４との間で酸化還元反応が生起される。例えば、酸化電極４２において、Ｈ_２ＯからＯ_２を生成し、還元電極４４において、Ｈ_２ＯとＣＯ_２（二酸化炭素）からＣＯ（一酸化炭素），ＨＣＯＯＨ（ギ酸），ＣＨ_３ＯＨ（メタノール）などを合成したりする人工光合成が行われる。

１ 人工光合成パネル、２ 気体分離装置、３ 熱交換装置、４ 反応物分離装置、５ 原料キャリア循環装置、６ 原料投入装置、７ 気体蓄積装置、８ 蓄熱装置、９ 反応物蓄積装置、１０ 二次反応装置、１１ 二次反応追加原料供給装置、１２ 二次反応物蓄積装置、２１ 別系統反応追加原料供給装置、２２ 別系統反応装置、２３ 別系統反応物蓄積装置、２４ 被分解物投入装置、２５ 分解物蓄積装置。

Claims (4)

1. 光エネルギーを利用して、原料から合成物を生成する光エネルギー利用システムであって、
   入射してくる光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池と、
   原料キャリアに原料を投入する原料投入部と、
   原料投入部からの原料を含む原料キャリアと接触する陽極および陰極を含み、太陽電池からの出力を陽極と陰極の間に印加して、陽極または陰極に接触する原料を含む原料キャリアから合成物を生成する合成部と、
   合成部からの合成物を含む原料キャリアから熱を回収し温度を低下させる熱交換手段と、
   熱交換手段で温度低下した合成物を含む原料キャリアから合成物を回収する回収手段と、
   回収した合成物を被反応物と反応させるとともに、熱交換手段で回収した熱により加熱して、反応生成物を得る二次反応装置と、
   を有し、
   合成物はギ酸であり、被反応物は過酸化水素であり、反応生成物は過ギ酸である、
   光エネルギー利用システム。
2. 請求項１に記載の光エネルギー利用システムであって、
   二次反応装置において生成した過ギ酸を用いて、加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解する、
   光エネルギー利用システム。
3. 請求項２に記載の光エネルギー利用システムであって、
   合成部から排出される原料キャリアから熱エネルギーを回収した過ギ酸を用いて、加硫アクリロニトリル－ブタジエン共重合体を固相酸化分解する際に、回収した熱を利用する、
   光エネルギー利用システム。
4. 請求項１～３のいずれか１つに記載の光エネルギー利用システムであって、
   過酸化水素は、光触媒を利用して、合成部の陽極において得られた酸素と水とから生成する、
   光エネルギー利用システム。

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