JP7619084B2

JP7619084B2 - 二酸化炭素回収システム

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Publication number: JP7619084B2
Application number: JP2021030389A
Authority: JP
Inventors: 隼太小倉; 紘章梅田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2025-01-22
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: EP4049745A1; US20220274056A1; JP2022131439A; CN114950069A

Description

本発明は、二酸化炭素を含有する二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収システムに関する。

特許文献１では、電気化学反応によって二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するガス分離システムが提案されている。特許文献１のガス分離システムでは、電気化学セルの作用極に二酸化炭素を吸着可能な二酸化炭素吸着材が設けられている。二酸化炭素吸着材は電気活性種であり、作用極と対極の間の電位差を変化させることで、二酸化炭素吸着材による二酸化炭素の吸着と放出を切り替えることができる。

特表２０１８－５３３４７０号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、二酸化炭素回収時に、作用極周りに存在する二酸化炭素以外のガス（例えば、窒素、酸素等）も一緒に回収される可能性がある。このため、回収される二酸化炭素の純度が低下するおそれがある。

本発明は、上記点に鑑みて、回収される二酸化炭素の純度を向上させ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。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の二酸化炭素回収システムは、電気化学反応によって二酸化炭素を含有する二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素回収システムにおいて、
作用極（１０２）と対極（１０３）とを有するとともに、作用極と対極との間に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、作用極は電子が供給されることに伴って二酸化炭素と結合する電気化学セル（１０１）と、
電気化学セルが収容されるとともに、二酸化炭素含有ガスが導入される吸着部（１００）と、
作用極と対極との間に電圧が印加された状態で、液体を吸着部内に供給する供給部（１４２、１４３）と、
作用極と対極との間に電圧が印加された状態で、供給部から供給された液体、および二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素が分離された後の二酸化炭素除去ガスを吸着部から排出する排出部（１ｂ、１４４、１４５）と、を備え、
作用極は、電極基材（１０２ａ）と、二酸化炭素吸着材（１０２ｂ）と、を有しており、
作用極と対極との間に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、二酸化炭素吸着材は電子が供給されることに伴って二酸化炭素と結合しており、
二酸化炭素吸着材は、被覆材（１０２ｃ）に覆われている。

これによれば、供給部（１４２、１４３）および排出部（１ｂ、１４４、１４５）を設けることで、吸着部（１００）から液体とともに二酸化炭素除去ガスを排出することができる。その結果、吸着部（１００）内の二酸化炭素の純度を高めることができるので、回収される二酸化炭素の純度を向上させることができる。

なお、この欄およ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。

第１実施形態に係る二酸化炭素回収システムを示す全体構成図である。第１実施形態における二酸化炭素回収装置を示す説明図である。第１実施形態における電気化学セルを示す説明図である。第１実施形態における電気化学セルを示す断面図である。第１実施形態における作用極を示す説明図である。第１実施形態における作用極の表面周辺を拡大した断面図である。第１実施形態における吸着部を示す説明図である。第１実施形態に係る二酸化炭素回収システムの制御装置が実行した制御処理の結果の一例を示すタイムチャートである。第１実施形態における二酸化炭素回収装置の二酸化炭素吸着モードでの作動を説明するための説明図である。第１実施形態における二酸化炭素回収装置の二酸化炭素回収モードでの作動を説明するための説明図である。第２実施形態における吸着部を示す説明図である。第３実施形態における吸着部を示す説明図である。第４実施形態における二酸化炭素回収装置を示す説明図である。他の実施形態（１）における電気化学セルを示す説明図である。

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。

（第１実施形態）
図１～図１０を用いて、本発明を実施するための第１実施形態を説明する。図１に示すように、本実施形態の二酸化炭素回収システム１は、圧縮機１１、二酸化炭素回収装置１０、流路切替弁１２、二酸化炭素利用装置１３、液体回路１４、制御装置１５が設けられている。

圧縮機１１は、二酸化炭素含有ガスを二酸化炭素回収装置１０に圧送する。二酸化炭素含有ガスは、二酸化炭素と二酸化炭素以外のガスを含有する混合ガスであり、例えば大気や内燃機関の排気ガスを用いることができる。圧縮機１１は、制御装置１５から出力される制御電圧によって、回転数（すなわち、圧送能力）が制御される。

二酸化炭素回収装置１０は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離して回収する装置である。二酸化炭素回収装置１０は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素が回収された後の二酸化炭素除去ガス、あるいは二酸化炭素含有ガスから回収した二酸化炭素を排出する。二酸化炭素回収装置１０の構成については、後で詳細に説明する。

流路切替弁１２は、二酸化炭素回収装置１０の排出ガスの流路を切り替える三方弁である。流路切替弁１２は、二酸化炭素回収装置１０から二酸化炭素除去ガスが排出される場合は、排出ガスの流路を大気側に切り替え、二酸化炭素回収装置１０から二酸化炭素が排出される場合は、排出ガスの流路を二酸化炭素利用装置１３側に切り替える。流路切替弁１２は、制御装置１５から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。

二酸化炭素利用装置１３は、二酸化炭素を利用する装置である。二酸化炭素利用装置１３としては、例えば二酸化炭素を貯蔵する貯蔵タンクや二酸化炭素を燃料に変換する変換装置を用いることができる。変換装置は、二酸化炭素をメタン等の炭化水素燃料に変換する装置を用いることができる。炭化水素燃料は、常温常圧で気体の燃料であってもよく、常温常圧で液体の燃料であってもよい。

液体回路１４は、液体を二酸化炭素回収装置１０に循環させる。以下、液体回路１４を循環する液体を循環液体という。循環液体としては、二酸化炭素に対して非化学反応性および不溶性を有している液体を用いることができる。液体回路１４の構成については、後で詳細に説明する。

制御装置１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよび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ている。制御装置１５は、ＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、各種制御対象機器の作動を制御する。制御装置１５は制御部の一例に相当する。

制御装置１５の出力側には、各種制御対象機器が接続されている。各種制御対象機器には、圧縮機１１、二酸化炭素回収装置１０、流路切替弁１２、液体回路１４の構成機器（すなわち、後述する液体供給ポンプ１４３および液体排出ポンプ１４５）等が含まれる。

次に、二酸化炭素回収装置１０について図２および図３を用いて説明する。図２に示すように、二酸化炭素回収装置１０は、吸着部１００と、電気化学セル１０１とを有している。吸着部１００は、電気化学セル１０１が収容される容器である。吸着部１００には、二酸化炭素含有ガスおよび循環液体が導入される。

吸着部１００には、ガス流入口１００ａ、ガス流出口１００ｂ、液体流入口１００ｃ、および液体流出口１００ｄが設けられている。ガス流入口１００ａは、二酸化炭素含有ガスを吸着部１００内に流入させる。ガス流出口１００ｂは、二酸化炭素除去ガスや二酸化炭素を吸着部１００内から流出させる。液体流入口１００ｃは、循環液体を吸着部１００内に流入させる。液体流出口１００ｄは、循環液体を吸着部１００から流出させる。

ガス流入口１００ａには、ガス供給流路１ａが接続されている。ガス供給流路１ａは、圧縮機１１の吐出口側とガス流入口１００ａとを接続して、圧縮機１１から吐出された二酸化炭素含有ガスを吸着部１００に供給する。

ガス流出口１００ｂには、ガス排出流路１ｂが接続されている。ガス排出流路１ｂは、ガス流出口１００ｂと流路切替弁１２の入口側とを接続して、吸着部１００内から排出された二酸化炭素除去ガスや二酸化炭素を流路切替弁１２の入口側へ導く。

図３に示すように、電気化学セル１０１は、作用極１０２、対極１０３、絶縁層１０４を有している。図３に示す例では、作用極１０２、対極１０３、絶縁層１０４をそれぞれ板状に構成している。なお、図３では、作用極１０２、対極１０３、絶縁層１０４を、それぞれ間隔を設けて図示しているが、実際はこれらの構成要素は接するように配置されている。

二酸化炭素回収装置１０は、電気化学反応によって二酸化炭素の吸着および脱離を行い、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離して回収する。二酸化炭素回収装置１０は、作用極１０２と対極１０３に所定の電圧を印加する電圧印加部である電源１０５を有しており、作用極１０２と対極１０３の電位差を変化させることができる。作用極１０２は負極であり、対極１０３は正極である。

電気化学セル１０１は、作用極１０２と対極１０３との間に電圧が印加されることで、対極１０３から作用極１０２に電子が供給され、作用極１０２（より詳細には、後述する二酸化炭素吸着材１０２ｂ）は電子が供給されることに伴って二酸化炭素と結合する。

電気化学セル１０１は、作用極１０２と対極１０３の電位差を変化させることで、作用極１０２に二酸化炭素を吸着させる二酸化炭素吸着モードと、作用極１０２から二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収モードを切り替えて作動することができる。二酸化炭素吸着モードは電気化学セル１０１を充電する充電モードであり、二酸化炭素回収モードは電気化学セル１０１を放電する放電モードである。

二酸化炭素吸着モードでは、作用極１０２と対極１０３の間に第１の電圧Ｖ１が印加され、対極１０３から作用極１０２に電子が供給される。第１の電圧Ｖ１では、作用極電位＜対極電位となっている。第１の電圧Ｖ１は、例えば０．５～２．０Ｖの範囲内とすることができる。

二酸化炭素回収モードでは、作用極１０２と対極１０３の間に低い第２の電圧Ｖ２が印加され、作用極１０２から対極１０３に電子が供給される。第２の電圧Ｖ２は、第１の電圧Ｖ１より低い電圧であればよく、作用極電位と対極電位の大小関係は限定されない。つまり、二酸化炭素回収モードでは、作用極電位＜対極電位でもよく、作用極電位＝対極電位でもよく、作用極電位＞対極電位でもよい。

図４に示すように、作用極１０２には、作用極側基材１０２ａと二酸化炭素吸着材１０２ｂが設けられている。図４では便宜上、二酸化炭素吸着材１０２ｂが作用極側基材１０２ａの外側に位置するように図示しているが、実際は多孔質状の作用極側基材１０２ａの内部に二酸化炭素吸着材１０２ｂが設けられている。なお、作用極側基材１０２ａが電極基材の一例に相当している。

作用極側基材１０２ａは、二酸化炭素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。作用極側基材１０２ａとしては、例えば炭素質材料や金属材料を用いることができる。作用極側基材１０２ａを構成する炭素質材料としては、例えばカーボン紙、炭素布、不織炭素マット、多孔質ガス拡散層（ＧＤＬ）等を用いることができる。作用極側基材１０２ａを構成する金属材料としては、例えば金属（例えばＡｌ、Ｎｉ等）をメッシュ状にした構造体を用いることができる。

二酸化炭素吸着材１０２ｂ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。二酸化炭素吸着材１０２ｂは、還元状態で二酸化炭素を結合して吸着することができ、酸化状態で二酸化炭素を放出することができる。

二酸化炭素吸着材１０２ｂは、二酸化炭素と結合する官能基を有している。二酸化炭素と結合する官能基は、電子の授受を行って二酸化炭素吸着サイトとなる。二酸化炭素と結合する官能基としては、電気陰性度が高い元素（Ｆ、Ｏ、Ｎ、Ｃｌ、Ｓ等）を含む官能基を挙げることができ、例えばケトン基（Ｃ＝Ｏ）を用いることができる。

さらに、本実施形態では、二酸化炭素吸着材１０２ｂは、循環液体に対して非親和性を有している。具体的には、二酸化炭素吸着材１０２ｂは、アミン系化合物を含んでいる。

作用極側基材１０２ａと二酸化炭素吸着材１０２ｂとの間には、作用極側バインダ１０２ｃが設けられている。作用極側バインダ１０２ｃは接着力を有しており、二酸化炭素吸着材１０２ｂを作用極側基材１０２ａに保持している。

作用極側バインダ１０２ｃは、導電性を有する導電性材料である。このため、作用極側基材１０２ａと二酸化炭素吸着材１０２ｂとの間での電子の移動を確保できる。

二酸化炭素吸着材１０２ｂは、作用極側バインダ１０２ｃの内部に保持された状態となっている。すなわち、二酸化炭素吸着材１０２ｂは、作用極側バインダ１０２ｃに覆われている。したがって、作用極側バインダ１０２ｃは被覆材の一例に相当する。作用極側バインダ１０２ｃによって、二酸化炭素吸着材１０２ｂを強固に保持することができる。

本実施形態の作用極側バインダ１０２ｃは、二酸化炭素を透過させることができる二酸化炭素透過性を有している。さらに、本実施形態の作用極側バインダ１０２ｃは、二酸化炭素含有ガスに含まれる複数種類のガスのうち、二酸化炭素を選択的に透過させることができる二酸化炭素選択透過性を有している。これに加えて、本実施形態の作用極側バインダ１０２ｃは、循環液体に対して非親和性を有している。

図５に示すように、二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素は作用極側バインダ１０２ｃを透過し、作用極側バインダ１０２ｃの内部に存在する二酸化炭素吸着材１０２ｂに到達することができる。一方、二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素以外のガス（窒素、酸素等）は、二酸化炭素選択透過性を有する作用極側バインダ１０２ｃを透過できない。さらに、循環液体は、循環液体に対して非親和性を有する作用極側バインダ１０２ｃの内部に浸透しない。

作用極側バインダ１０２ｃとして、流動性を有さない非流動性物質を用いることができる。非流動性物質としては、ゲル状物質あるいは固体状物質を挙げることができる。ゲル状物質としては、例えばイオン液体ゲルを用いることができる。固体状物質としては、例えば固体電解質、あるいは導電性樹脂等を用いることができる。

作用極側バインダ１０２ｃとして固体電解質を用いる場合には、二酸化炭素吸着材１０２ｂとの接触面積を増大させるために、高分子電解質等からなるアイオノマを用いることが望ましい。作用極側バインダ１０２ｃとして導電性樹脂を用いる場合には、導電性フィラーとしてＡｇ等を含有するエポキシ樹脂やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素樹脂等を用いることができる。

作用極側バインダ１０２ｃの原材料は、流動性を有する液体状物質であってもよい。この場合には、作用極側バインダ１０２ｃの原材料に二酸化炭素吸着材１０２ｂを分散、混合させ、作用極側基材１０２ａに含浸、塗布等によって付着させればよい。その後、作用極側バインダ１０２ｃの原材料を所定条件の下でゲル化あるいは固化させることができる。所定条件は、作用極側バインダ１０２ｃの原材料をゲル化あるいは固化させることができる特定圧力、特定温度、特定時間等の条件とすることができる。

図６に示すように、作用極側バインダ１０２ｃは、作用極側基材１０２ａに形成された孔や凹凸の隙間に入り込み、そこで固定される。作用極側バインダ１０２ｃは、作用極側基材１０２ａとの間において、投錨効果によって機械的な結合力を発生させることができる。

本実施形態では、作用極側バインダ１０２ｃとして、イオン液体をゲル化させたイオン液体ゲルを用いている。イオン液体ゲルは、高分子網目構造にイオン液体を保持したゲル状の構造体である。

イオン液体ゲルとしては、特開２０１５－２５０５６号公報に開示されている構造体を好適に用いることができる。この構造体は、２種類の異なる高分子鎖からなる３次元網目構造にイオン液体が保持されている。３次元網目構造は、縮合重合で形成される第１網目構造と、ラジカル重合で形成される第２網目構造を含んでいる。

縮合重合させるモノマとして、テトラエトキシオルトシリケート（ＴＥＯＳ）を用いることができる。ＴＥＯＳは、縮合重合の架橋剤としても機能する。

ラジカル重合させるモノマとしては、Ｎ，Ｎ－ジメチルアクリルアミド（ＤＭＡＡｍ）を用いることができる。ラジカル重合では、架橋剤としてＮ，Ｎ´－メチレンビスアクリルアミド（ＭＢＡＡ）を用いることができ、開始剤として２，２´－アゾビス（イソブチロニトリル）（ＡＩＢＮ）を用いることができる。

イオン液体ゲルを構成するイオン液体は、第１網目構造を構成するモノマと第２網目構造を構成するモノマの溶媒として機能する。そして、第１網目構造と第２網目構造が形成された後は、第１網目構造と第２網目構造が互いに絡み合い、これらの網目構造にイオン液体が包含される。

イオン液体ゲルを構成するイオン液体としては、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（［ＥＭＩＭ］［Ｔｆ_２Ｎ］）、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（［ＢＭＩＭ］［Ｔｆ_２Ｎ］）、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩（［ＢＭＩＭ］［ＢＦ_４］）等を用いることができる。

図４に戻り、対極１０３は、作用極１０２と同様の構成を有しており、対極側基材１０３ａ、電気活性補助材１０３ｂ、対極側バインダ１０３ｃが設けられている。

対極側基材１０３ａは、導電性材料であり、作用極側基材１０２ａと同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。対極側バインダ１０３ｃは、電気活性補助材１０３ｂを対極側基材１０３ａに保持させることができ、かつ、導電性を有する材料であればよい。対極側バインダ１０３ｃは、作用極側バインダ１０２ｃと同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。

電気活性補助材１０３ｂは、二酸化炭素吸着材１０２ｂと酸化還元状態が逆になり、二酸化炭素吸着材１０２ｂとの間で電子の授受を行う補助的な電気活性種である。電気活性補助材１０３ｂとしては、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。このような金属錯体としては、フェロセン、ニッケロセン、コバルトセン等のシクロペンタジエニル金属錯体、あるいはポルフィリン金属錯体等を挙げることができる。

絶縁層１０４は、作用極１０２と対極１０３の間に配置されており、作用極１０２と対極１０３を分離している。絶縁層１０４は、作用極１０２と対極１０３の物理的な接触を防ぎ、電気的短絡を抑制する。

絶縁層１０４としては、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。本実施形態では、絶縁層１０４として多孔質体のセパレータを用いている。セパレータの材料は、セルロース膜やポリマ、ポリマとセラミックの複合材料等からなるセパレータを用いることができる。

図４に示すように、作用極１０２と対極１０３の間には、イオン伝導性部材１０６が設けられている。イオン伝導性部材１０６は、絶縁層１０４を介して作用極側基材１０２ａと対極側基材１０３ａとの間に設けられている。

イオン伝導性部材１０６は、作用極側基材１０２ａの内部で二酸化炭素吸着材１０２ｂと接触している。イオン伝導性部材１０６は、イオン伝導性を有しており、二酸化炭素吸着材１０２ｂへの導電を促進する。イオン伝導性部材１０６に含まれるイオンは、二酸化炭素吸着材１０２ｂに含まれる二酸化炭素と結合する官能基と直接反応しない。

イオン伝導性部材１０６は、流動性を有さない非流動性物質を好適に用いることができる。非流動性物質としては、ゲル状物質あるいは固体状物質を挙げることができ、例えばイオン液体ゲルや固体電解質等を用いることができる。イオン伝導性部材１０６は、作用極側バインダ１０２ｃと同じ材料を用いてもよく、作用極側バインダ１０２ｃと異なる材料を用いてもよい。

次に、液体回路１４について図１および図７を用いて説明する。図１に示すように、液体回路１４は、液体タンク１４１、液体供給流路１４２、液体供給ポンプ１４３、液体排出流路１４４、および液体排出ポンプ１４５を有している。

液体タンク１４１は、循環液体を貯留するタンクである。液体供給流路１４２は、液体タンク１４１の出口側と吸着部１００の液体流入口１００ｃとを接続して、液体タンク１４１から吸着部１００に循環液体を供給する流路である。

液体供給ポンプ１４３は、液体供給流路１４２に設けられるとともに、液体タンク１４１から吸着部１００へ循環液体を圧送するポンプである。液体供給ポンプ１４３は、制御装置１５から出力される制御電圧によって、回転数（すなわち、圧送能力）が制御される。

液体排出流路１４４は、吸着部１００の液体流出口１００ｄと液体タンク１４１の入口側とを接続して、吸着部１００から液体タンク１４１に循環液体を排出させる流路である。すなわち、液体排出流路１４４は、吸着部１００内の循環液体を吸着部１００の外部に排出する流路である。

液体排出ポンプ１４５は、液体排出流路１４４に設けられるとともに、吸着部１００から液体タンク１４１へ循環液体を圧送するポンプである。液体排出ポンプ１４５は、制御装置１５から出力される制御電圧によって、回転数（すなわち、圧送能力）が制御される。

図７に示すように、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の各々は、吸着部１００の鉛直方向下方側に接続されている。本実施形態では、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の各々は、吸着部１００の下端面（すなわち、底面）に接続されている。

ガス供給流路１ａおよびガス排出流路１ｂの各々は、吸着部１００の鉛直方向上方側に接続されている。本実施形態では、ガス供給流路１ａおよびガス排出流路１ｂの各々は、吸着部１００の上端面に接続されている。

次に、本実施形態の二酸化炭素回収システム１の作動について図８～図１０を用いて説明する。図８に示すように、二酸化炭素回収システム１は、二酸化炭素吸着モード、除去ガス排出モード、および二酸化炭素回収モードを実行可能に構成されている。二酸化炭素回収システム１は、二酸化炭素吸着モード、除去ガス排出モード、二酸化炭素回収モード、二酸化炭素吸着モード、除去ガス排出モード、二酸化炭素回収モード、…の順に切り替えて作動する。二酸化炭素回収システム１の作動は、制御装置１５によって制御される。

まず、二酸化炭素吸着モードについて説明する。図９に示すように、二酸化炭素吸着モードでは、圧縮機１１が作動して吸着部１００に二酸化炭素含有ガスが供給される。二酸化炭素吸着モードでは、作用極１０２と対極１０３の間に印加される電圧を第１の電圧Ｖ１とする。これにより、対極１０３の電気活性補助材１０３ｂによる電子供与と、作用極１０２の二酸化炭素吸着材１０２ｂの電子求引を同時に実現できる。

対極１０３の電気活性補助材１０３ｂは電子を放出して酸化状態となり、対極１０３から作用極１０２に電子が供給される。作用極１０２の二酸化炭素吸着材１０２ｂは、電子を受け取って還元状態となる。

還元状態となった二酸化炭素吸着材１０２ｂは二酸化炭素の結合力が高くなり、二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を結合して吸着する。これにより、二酸化炭素回収装置１０は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収することができる。

次に、除去ガス排出モードについて説明する。図８に示すように、除去ガス排出モードは、液体供給モードおよび液体排出モードを有している。二酸化炭素回収システム１は、液体供給モードを実行した後、液体排出モードを実行する。

除去ガス排出モード（すなわち、液体供給モードおよび液体排出モードの双方）では、作用極１０２と対極１０３の間に第１の電圧Ｖ１を印加し続ける。除去ガス排出モードでは、圧縮機１１が作動停止し、吸着部１００への二酸化炭素含有ガスの供給が停止する。

液体供給モードでは、液体供給ポンプ１４３が作動して、液体タンク１４１から循環液体が吸着部１００へ供給される。このとき、吸着部１００内の二酸化炭素は、二酸化炭素吸着材１０２ｂに吸着されたままの状態であり、循環液体に溶解したり、循環液体と化学反応を起こしたりすることはない。

液体排出モードでは、液体供給ポンプ１４３が作動停止し、吸着部１００への循環液体の供給が停止する。さらに、液体排出モードでは、液体排出ポンプ１４５が作動して、循環液体が吸着部１００から排出されて液体タンク１４１にて回収される。このとき、吸着部１００から排出される循環液体の流れにより、二酸化炭素を含まない二酸化炭素除去ガスが吸着部１００からガス排出流路１ｂに排出される。液体排出モードでは、流路切替弁１２は、ガス排出流路１ｂを大気側に切り替えており、吸着部１００から排出された二酸化炭素除去ガスは大気に排出される。

次に、二酸化炭素回収モードについて説明する。図１０に示すように、二酸化炭素回収モードでは、液体排出ポンプ１４５が作動停止し、吸着部１００からの循環液体の排出が停止する。二酸化炭素回収モードでは、作用極１０２と対極１０３の間に印加される電圧を第２の電圧Ｖ２とする。これにより、作用極１０２の二酸化炭素吸着材１０２ｂによる電子供与と、対極１０３の電気活性補助材１０３ｂの電子求引を同時に実現できる。

作用極１０２の二酸化炭素吸着材１０２ｂは、電子を放出して酸化状態となる。二酸化炭素吸着材１０２ｂは、二酸化炭素の結合力が低下し、二酸化炭素を脱離して放出する。対極１０３の電気活性補助材１０３ｂは、電子を受け取って還元状態となる。

二酸化炭素吸着材１０２ｂから放出された二酸化炭素は、吸着部１００から排出される。流路切替弁１２は、ガス排出流路１ｂを二酸化炭素利用装置１３側に切り替えており、吸着部１００から排出された二酸化炭素は二酸化炭素利用装置１３に供給される。

本実施形態では、液体供給流路１４２および液体供給ポンプ１４３が、循環液体を吸着部１００内に供給する供給部の一例に相当する。また、ガス排出流路１ｂ、液体排出流路１４４および液体排出ポンプ１４５が、供給部から供給された循環液体および二酸化炭素除去ガスを吸着部１００から排出する排出部の一例に相当する。

以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素回収システム１は、供給部である液体供給流路１４２および液体供給ポンプ１４３、並びに、排出部であるガス排出流路１ｂ、液体排出流路１４４および液体排出ポンプ１４５を有している。そして、二酸化炭素回収システム１は、作用極１０２と対極１０３との間に電圧が印加された状態で、循環液体を吸着部１００内に供給した後、循環液体および二酸化炭素除去ガスを吸着部１００から排出する除去ガス排出モードを実行可能に構成されている。

これによれば、吸着部１００から、循環液体とともに二酸化炭素除去ガスを排出することができる。その結果、吸着部１００内の二酸化炭素の純度を高めることができるので、回収される二酸化炭素の純度を向上させることができる。

また、本実施形態では、電気化学セル１０１における作用極１０２の二酸化炭素吸着材１０２ｂは、作用極側バインダ１０２ｃに覆われている。これにより、二酸化炭素吸着材１０２ｂが作用極側基材１０２ａから剥離しにくくなり、電気化学セル１０１の二酸化炭素吸着量が経時的に低下することを抑制できる。

また、本実施形態の作用極側バインダ１０２ｃは、循環液体に対する非親和性を有している。このため、循環液体の存在下においても、循環液体が作用極側バインダ１０２ｃに到達することを抑制できる。これにより、循環液体が二酸化炭素吸着材１０２ｂと優先的に反応することを抑制でき、二酸化炭素吸着材１０２ｂの二酸化炭素吸着量を増大させることができる。

また、本実施形態では、作用極側バインダ１０２ｃは、二酸化炭素透過性を有している。このため、二酸化炭素が作用極側バインダ１０２ｃを透過して二酸化炭素吸着材１０２ｂに到達することができる。この結果、二酸化炭素吸着材１０２ｂが作用極側バインダ１０２ｃに覆われている場合でも、二酸化炭素吸着材１０２ｂによる二酸化炭素の回収が可能となる。

また、本実施形態では、作用極側バインダ１０２ｃとしてイオン液体ゲルを用いている。このため、作用極側バインダ１０２ｃに、循環液体に対する非親和性や二酸化炭素透過性を容易に付与することが可能となる。さらに、作用極側バインダ１０２ｃに、常温常圧における非揮発性を付与することも可能となる。

また、本実施形態の二酸化炭素吸着材１０２ｂは、循環液体に対する非親和性を有している。このため、循環液体が二酸化炭素吸着材１０２ｂと優先的に反応することを抑制でき、二酸化炭素吸着材１０２ｂの二酸化炭素吸着量を増大させることができる。

また、本実施形態の二酸化炭素回収システム１では、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の各々を、吸着部１００の鉛直方向下方側に接続している。また、ガス排出流路１ｂを、吸着部１００の鉛直方向上方側に接続している。これによれば、吸着部１００内において液体と気体とが相分離しやすくなるので、気体である二酸化炭素除去ガスを吸着部１００から容易に排出することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１１に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の吸着部１００への接続位置を変更している。

図１１に示すように、本実施形態の二酸化炭素回収システム１では、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の各々は、吸着部１００の鉛直方向上方側に接続されている。本実施形態では、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の各々は、吸着部１００の上端面に接続されている。

以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素回収システム１では、液体供給流路１４２、液体排出流路１４４およびガス排出流路１ｂを、吸着部１００の鉛直方向上方側に接続している。これによれば、吸着部１００に循環液体を供給し易くするとともに、吸着部１００から気体である二酸化炭素除去ガスを排出し易くすることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１２に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、ガス供給流路１ａ、ガス排出流路１ｂ、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の吸着部１００への接続位置を変更している。

図１２に示すように、本実施形態の二酸化炭素回収システム１では、ガス供給流路１ａ、ガス排出流路１ｂ、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の各々は、吸着部１００の鉛直方向中央部に接続されている。

本実施形態では、吸着部１００は、水平方向に延びる形状に形成されている。すなわち、二酸化炭素回収装置１０は、吸着部１００の長手方向が水平方向と平行となるように配置されている。ガス供給流路１ａおよび液体供給流路１４２は、吸着部１００の長手方向の一端側に接続されている。ガス排出流路１ｂおよび液体排出流路１４４は、吸着部１００の長手方向の他端側に接続されている。

以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素回収システム１では、ガス供給流路１ａ、ガス排出流路１ｂ、液体供給流路１４２および液体排出流路１４４の各々を、吸着部１００の鉛直方向中央部に接続している。これによれば、二酸化炭素回収システム１の省スペース化を図ることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１３に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、二酸化炭素回収装置１０の構成を変更している。

図１３に示すように、本実施形態の二酸化炭素回収システム１では、二酸化炭素回収装置１０は、温度調整部１０７を有している。温度調整部１０７は、二酸化炭素を二酸化炭素吸着材１０２ｂに吸着させる二酸化炭素吸着時に、被覆材である作用極側バインダ１０２ｃの温度を上昇させる。また、温度調整部１０７は、二酸化炭素吸着材１０２ｂから二酸化炭素を脱離させるに二酸化炭素脱離時に作用極側バインダ１０２ｃの温度を下降させる。温度調整部１０７は、制御装置１５から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。

ここで、本実施形態では、作用極側バインダ１０２ｃとして、イオン液体をゲル化したイオン液体ゲルを用いている。イオン液体は、高温において二酸化炭素の溶解性が上がり、低温において二酸化炭素の溶解性が下がる特性を有している。

このため、本実施形態の二酸化炭素回収システム１によれば、二酸化炭素吸着時に、温度調整部１０７によって作用極側バインダ１０２ｃの温度を上昇させることで、作用極側バインダ１０２ｃ内に二酸化炭素が溶けやすくなる。これにより、二酸化炭素吸着材１０２ｂへの二酸化炭素の吸着を促進できる。

さらに、二酸化炭素脱離時に、温度調整部１０７によって作用極側バインダ１０２ｃの温度を低下させることで、作用極側バインダ１０２ｃ内に二酸化炭素が溶け難くなる。これにより、二酸化炭素吸着材１０２ｂからの二酸化炭素の脱離を促進できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（１）上述した実施形態では、電気化学セル１０１の作用極１０２、対極１０３、絶縁層１０４をそれぞれ板状部材としたが、図１４に示すように、作用極１０２、対極１０３、絶縁層１０４をそれぞれ円筒状部材としてもよい。この場合には、作用極１０２を最も内側に配置し、対極１０３を最も外側に配置し、作用極１０２と対極１０３の間に絶縁層１０４を配置すればよい。これにより、作用極１０２の内側に形成される空間を二酸化炭素含有ガスが通過するガス流路とすることができる。

（２）上述した実施形態では、作用極側バインダ１０２ｃとして、イオン液体をゲル化したイオン液体ゲルを用いた例について説明したが、作用極側バインダ１０２ｃはイオン液体ゲルに限定されない。例えば、作用極側バインダ１０２ｃとして、イオン液体を用いてもよい。

（３）上述した実施形態では、循環液体として、二酸化炭素に対して非化学反応性および不溶性を有している液体を用いたが、循環液体は、必ずしも二酸化炭素に対して非化学反応性および不溶性を有していなくてもよい。

例えば、循環液体として、水を用いてもよい。この場合、二酸化炭素吸着材１０２ｂおよび作用極側バインダ１０２ｃは、疎水性を有していてもよい。

１ｂガス排出流路（排出部）
１００吸着部
１４２液体供給流路（供給部）
１４３液体供給ポンプ（供給部）
１４４液体排出流路（排出部）
１４５液体排出ポンプ（排出部）

Claims

電気化学反応によって二酸化炭素を含有する二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素回収システムであって、
作用極（１０２）と対極（１０３）とを有するとともに、前記作用極と前記対極との間に電圧が印加されることで、前記対極から前記作用極に電子が供給され、前記作用極は電子が供給されることに伴って二酸化炭素と結合する電気化学セル（１０１）と、
前記電気化学セルが収容されるとともに、前記二酸化炭素含有ガスが導入される吸着部（１００）と、
前記作用極と前記対極との間に電圧が印加された状態で、液体を前記吸着部内に供給する供給部（１４２、１４３）と、
前記作用極と前記対極との間に電圧が印加された状態で、前記供給部から供給された前記液体、および前記二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素が分離された後の二酸化炭素除去ガスを前記吸着部から排出する排出部（１ｂ、１４４、１４５）と、を備え、
前記作用極は、電極基材（１０２ａ）と、二酸化炭素吸着材（１０２ｂ）と、を有しており、
前記作用極と前記対極との間に電圧が印加されることで、前記対極から前記作用極に電子が供給され、前記二酸化炭素吸着材は電子が供給されることに伴って二酸化炭素と結合しており、
前記二酸化炭素吸着材は、被覆材（１０２ｃ）に覆われている二酸化炭素回収システム。
さらに、前記作用極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加部（１０５）と、
前記電圧印加部、前記供給部および前記排出部の作動を制御する制御部（１５）と、を備え、
前記制御部は、前記作用極と前記対極との間に電圧を印加した状態で、前記供給部によって前記液体を前記吸着部内に供給した後、前記排出部によって前記液体および前記二酸化炭素除去ガスを前記吸着部から排出する請求項１に記載の二酸化炭素回収システム。
前記被覆材は、二酸化炭素を透過させることができる二酸化炭素透過性を有している請求項１または２に記載の二酸化炭素回収システム。
前記被覆材は、イオン液体をゲル化したイオン液体ゲルである請求項１ないし３のいずれか１つに記載の二酸化炭素回収システム。
さらに、二酸化炭素を前記二酸化炭素吸着材に吸着させる二酸化炭素吸着時に前記被覆材の温度を上昇させるとともに、前記二酸化炭素吸着材から二酸化炭素を脱離させるに二酸化炭素脱離時に前記被覆材の温度を下降させる温度調整部（１０７）を備える請求項４に記載の二酸化炭素回収システム。
前記供給部は、前記吸着部の下方側に接続されるとともに、前記吸着部に前記液体を供給する液体供給流路（１４２）を有しており、
前記排出部は、
前記吸着部の上方側に接続されるとともに、前記吸着部内の前記二酸化炭素除去ガスを外部に排出するガス排出流路（１ｂ）と、
前記吸着部の下方側に接続されるとともに、前記吸着部内の前記液体を外部に排出する液体排出流路（１４４）と、を有している請求項１ないし５のいずれか１つに記載の二酸化炭素回収システム。
前記供給部は、前記吸着部の上方側に接続されるとともに、前記吸着部に前記液体を供給する液体供給流路（１４２）を有しており、
前記排出部は、
前記吸着部の上方側に接続されるとともに、前記吸着部内の前記二酸化炭素除去ガスを外部に排出するガス排出流路（１ｂ）と、
前記吸着部の上方側に接続されるとともに、前記吸着部内の前記液体を外部に排出する液体排出流路（１４４）と、を有している請求項１ないし５のいずれか１つに記載の二酸化炭素回収システム。
前記供給部は、前記吸着部の鉛直方向中央部に接続されるとともに、前記吸着部に前記液体を供給する液体供給流路（１４２）と、
前記排出部は、
前記吸着部の鉛直方向中央部に接続されるとともに、前記吸着部内の前記二酸化炭素除去ガスを外部に排出するガス排出流路（１ｂ）と、
前記吸着部の鉛直方向中央部に接続されるとともに、前記吸着部内の前記液体を外部に排出する液体排出流路（１４４）と、を有している請求項１ないし５のいずれか１つに記載の二酸化炭素回収システム。