JPH1133340A - 二酸化炭素濃縮法 - Google Patents

二酸化炭素濃縮法

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JPH1133340A
JPH1133340A JP9212674A JP21267497A JPH1133340A JP H1133340 A JPH1133340 A JP H1133340A JP 9212674 A JP9212674 A JP 9212674A JP 21267497 A JP21267497 A JP 21267497A JP H1133340 A JPH1133340 A JP H1133340A
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JP
Japan
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anode
cathode
carbon dioxide
concentration
gas
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JP9212674A
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English (en)
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Hidekazu Kasai
英一 河西
Minoru Hosaka
実 保坂
Kenichiro Ota
健一郎 太田
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IHI Corp
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IHI Corp
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 CO2 ガスを、大きなエネルギーを要するこ
となく高温のまま濃縮処理する。 【解決手段】 溶融塩をしみ込ませた電解質板1をカソ
ード2とアノード3で挟んでなる濃縮セル4を用いる。
カソード2とアノード3との間に電源7により電位を与
える。カソード2に低濃度のCO2 と共にO2 を含むガ
スを供給して、電気化学反応によりCO2 をCO3 2-
変える。CO3 2-を電解質板1を通しアノード3に運
び、電気化学反応により高濃度のCO2 を選択的に分離
させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は工業排ガス等の低濃
度の二酸化炭素(CO2 )ガスを溶融塩を利用して電気
化学的に濃縮、分離する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、地球温暖化現象が世界的な問題と
なっているが、地球温暖化問題の対象となるのは、工業
的な燃焼排ガス(化石燃料の燃焼排ガス)の如き高温、
低濃度の多量のCO2 ガスである。
【0003】上記低濃度のCO2 ガスを濃縮して分離回
収する代表的な方法としては、吸収液にCO2 を化学
反応で吸収させ、それを加熱することなどにより、CO
2 を分離回収する化学吸収法、ゼオライトなどの固体
吸着剤の細孔にCO2 を物理的に吸着させ、圧力を下げ
ることによってCO2 を分離、回収する物理吸着法、
高分子膜に対する気体の透過速度の違いを利用してCO
2 を分離、回収する膜分離(透過)法、等が知られてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の化
学吸収法の場合には、吸収液(溶媒)側の制約で、CO
2 ガスの温度を低くする必要があるので、分離のために
は大きな加熱エネルギーが必要となること、吸収液の使
用量が多く高価となること、等の問題がある。
【0005】又、上記の物理吸着法の場合には、CO
2 の分離に非常に大きな加圧エネルギーが必要であるこ
と、大容量化が困難であること、等の問題がある。
【0006】一方、上記の膜分離法の場合には、膜が
非常に高価なためコストが高いこと、膨大な面積の膜が
必要なため大容量化が困難であること、不純物が多い排
ガスに適した膜の開発が必要であること、等の問題があ
る。
【0007】そこで、本発明は、大きなエネルギーを要
することなくCO2 ガスを冷却することなく高温のまま
濃縮分離処理することができるようにすると共に、分離
したCO2 ガスには不純物が含まれないようにして新た
な工業原料とすることができるような二酸化炭素濃縮法
を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、電解質をしみ込ませた多孔質物質製電解
質板を多孔質体製のカソードとアノードで両面から挟ん
でなる濃縮セルを用い、該濃縮セルのカソードとアノー
ドとの間に電位を与えた状態として、カソードに原料ガ
スとして低濃度の二酸化炭素と酸素を含むガスを供給
し、該カソード側で CO2 +1/2 O2 +2e- →CO3 2- の電気化学反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電解
質板を通しアノードに移動させ、該アノード側で炭酸イ
オンを電気化学反応を行わせて、高濃度の二酸化炭素を
選択的に分離させる二酸化炭素濃縮法とする。
【0009】又、上記カソードとアノードをともに高温
で且つ酸化雰囲気に耐え得られる材質とする。
【0010】カソードに供給してアノードから放出され
るガスは高温のまま処理され且つ炭酸ガスの吸収移動は
電気化学的に行われるため、補助動力による大きなエネ
ルギーを要することはない。又、選択的に吸収されるこ
とから、排ガス中に含まれる硫化物、塩化物、NOx等
の不純物を含まない高純度のCO2 ガスを回収すること
ができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【0012】図1は本発明の二酸化炭素濃縮法の実施に
用いる装置の一例を示す概念図であり、電解質としての
溶融塩をしみ込ませた多孔質物質製の電解質板1を、い
ずれも多孔質体としたカソード2とアノード3の両電極
で両面から挟んでなる濃縮セル4を構成し、且つカソー
ド2にガス入口5を、又、アノード3にガス出口6をそ
れぞれ設け、更に、上記カソード2とアノード3との間
に、電源7を接続して、カソード2とアノード3との間
に電位が与えられるようにしてある。
【0013】上記電解質板1としては、たとえば、リチ
ウムアルミネート(LiAlO2 )により構成したマト
リックスに電解質である炭酸塩を主成分とする溶融塩を
含浸させたものを用いる。電解質としては、リチウム、
ナトリウム、カリウム等をはじめとするアルカリ金属の
炭酸塩、マグネシウム、カルシウム等をはじめとするア
ルカリ土類金属の炭酸塩を単独また複数混合した状態で
使用する。
【0014】又、カソード2及びアノード3としては、
高温で且つ酸化雰囲気に耐えられる導電性金属酸化物と
して、どちらも、酸化ニッケル、酸化鉄、あるいは、酸
化銅及びその他金属酸化物が単独又は混合されたものに
リチウムがドープされた多孔質体を用いる。
【0015】更に、濃縮セル4のホルダーとしては、S
US310,SUS316,SUS304等ステンレス
材、および鉄にニッケル、クロム、チタン、モリブデ
ン、ニオブ等が添加された材料を単独または複合して使
用する。
【0016】カソード2とアノード3の間に電源7によ
り電位を与えた状態において、原料ガスとして低濃度の
CO2 とCO2 濃度の1/2程度のO2 を含む工業排ガ
スをガス入口5から供給すると、カソード2側で、 CO2 +1/2 O2 +2e- →CO3 2- の電気化学反応が行われ、炭酸イオンCO3 2-が生成さ
れる。
【0017】次に、上記生成された炭酸イオンCO3 2-
は、電解質板1中を泳動してアノード3へ達し、アノー
ド3側で、 CO3 2-→CO2 +1/2 O2 +2e- の電気化学反応が行われ、電子が奪われることにより、
炭酸イオンCO3 2-からCO2 が濃縮分離され、ガス出
口6から排出される。
【0018】上記において、カソード2に供給してアノ
ード3から放出されるガスは高温のまま濃縮、分離処理
されるので、処理のために補助動力による大きなエネル
ギーを要することはない。又、CO2 ガスは選択的に反
応することから、分離したガスは不純物を含まない極め
て高純度な付加価値の高いものとなる。
【0019】
【実施例】次に、本発明者が行った濃縮試験の結果の一
例を説明する。
【0020】図1に示す装置において、カソード2側に
はCO2 濃度10%、O2 濃度19%の原料ガスを供給
し、アノード3側は濃度試験時、ガス供給を行わず、分
離されたガスのみをガス出口6から放出させる運転条件
とした。又、濃縮操作時、反応に必要な電圧は外部電源
7から供給された電流値を変化させたときの濃縮セル4
の両極の電圧を測定し、これにより濃縮セル4のガス分
離特性を計測した。この際、通常の溶融炭酸塩型燃料電
池(MCFC)のセルの定格運転条件に合わせて150
mA/cm2 を上限とした。この電流密度では、MCFCセ
ル同様に1cm2当たり毎分1.044cm3 のCO2 がカ
ソード2側からアノード3側に選択的に移動している。
上記濃縮セル4の電流電圧特性は図2に示す如きであっ
た。
【0021】又、濃縮セル4のガス出口6でのガス成分
をガスクロマトグラフィーで測定したところ、CO2
2 =66.7:33.3の値が得られ、濃縮反応が行
われていることが確認された。
【0022】一方、図2において、150mA/cm2 にお
ける濃縮セル4の電圧は360mVであるが、ネルンスト
の式から算出されるカソード、アノード間の電位差は約
140mA、内部抵抗によるオーム損失は約40mVである
ため、カソード2、アノード3を合わせた電極部の過電
圧は、内訳を図3に示す如く、180mVとなる。なお、
図3において、aは電極過電圧、bは濃度差電位、cは
IR損失を示す。したがって、この場合の濃縮セル4の
電圧により算出される濃縮に要したエネルギーは、1kg
のCO2 を濃縮、分離するのに必要な電力として約0.
43kwh となる。
【0023】このように、CO2 ガスを小さいエネルギ
ーにより確実に濃縮、分離することができる。すなわ
ち、エネルギー的に、理想的な効率で分離操作を行うこ
とができる。
【0024】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の二酸化炭素濃
縮法によれば、電解質をしみ込ませた多孔質物質製電解
質板を多孔質体製のカソードとアノードで両面から挟ん
でなる濃縮セルを用い、該濃縮セルのカソードとアノー
ドとの間に電位を与えた状態として、カソードに原料ガ
スとして低濃度二酸化炭素と酸素を含むガスを供給し、
該カソード側で CO2 +1/2 O2 +2e- →CO3 2- の電気化学反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電解
質板を通しアノードに移動させ、該アノード側で炭酸イ
オンを電気化学反応を行わせて、高濃度の二酸化炭素を
選択的に分離させるようにし、又、上記カソードとアノ
ードをともに高温で且つ酸化雰囲気で耐え得る材質とす
ることにより、CO2 ガスを高温のまま濃縮分離するこ
とができて、大きな補助エネルギーを一切必要とするこ
とがなく、エネルギー的に理想的な効率で分離操作を行
うことができ、且つ分離したガスは不純物の含まない極
めて高純度で付加価値の高いものとすることができるこ
とから、新たな工業原料とすることができ、又、地球環
境問題での重要な課題であるCO2 排出量の低減に貢献
でき、これに加えて、本発明においては、反応ガスがO
2 、CO2 の酸化雰囲気系のみであるため、溶融炭酸塩
型燃料電池セルと異なり、アルカリ金属およびアルカリ
土類金属からなる種々の組成の炭酸塩を広く、選択、使
用することが可能であり、このことにより、溶融炭酸塩
型燃料電池セルでも作動困難な高温から低温までの幅広
い温度条件での作動が可能となり、このため、電極材料
にはNi系に加えて、溶融炭酸塩型燃料電池作動環境か
らの制約により使用困難であった鉄系、銅系の化合物を
含む安価な電極材料が使用可能となり、更に、ホルダー
等のその他の支持部材に対してもステンレス材をはじ
め、使用温度にあわせたより安価な鉄、クロム系耐熱材
料が使用できる、等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の二酸化炭素濃縮法の実施に用いる装置
の一例を示す概念図である。
【図2】濃縮セルの電流−電圧特性図である。
【図3】濃縮セルの作動電圧内訳図である。
【符号の説明】
1 電解質板 2 カソード 3 アノード 4 濃縮セル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保坂 実 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 太田 健一郎 東京都小金井市貫井北町3−13−4

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解質をしみ込ませた多孔質物質製電解
    質板を多孔質体製のカソードとアノードで両面から挟ん
    でなる濃縮セルを用い、該濃縮セルのカソードとアノー
    ドとの間に電位を与えた状態として、カソードに原料ガ
    スとして低濃度二酸化炭素と酸素を含むガスを供給し、
    該カソード側で CO2 +1/2 O2 +2e- →CO3 2- の電気化学反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電解
    質板を通しアノードに移動させ、該アノード側で炭酸イ
    オンを電気化学反応を行わせて、高濃度の二酸化炭素を
    選択的に分離させることを特徴とする二酸化炭素濃縮
    法。
  2. 【請求項2】 カソードとアノードをともに高温で且つ
    酸化雰囲気に耐え得られる材質のものとする請求項1記
    載の二酸化炭素濃縮法。
  3. 【請求項3】 カソード、アノードの材質として酸化ニ
    ッケル、酸化鉄、酸化銅の如き金属酸化物が単独または
    混合されたものにリチウムがドープされたものを使用す
    る請求項2記載の二酸化炭素濃縮法。
  4. 【請求項4】 電解質として、リチウム、ナトリウム、
    カリウム等からなるアルカリ金属の中から選ばれた炭酸
    塩、マグネシウム、カルシウム等からなるアルカリ土類
    金属の中から選ばれた炭酸塩を単独また複数混合した状
    態で使用する請求項1記載の二酸化炭素濃縮法。
  5. 【請求項5】 濃縮セルのホルダーとしてSUS31
    0,SUS316,SUS304の如きステンレス材、
    および鉄にニッケル、クロム、チタン、モリブデン、ニ
    オブ、その他の物質が添加された材料を単独または複合
    して使用する請求項1記載の二酸化炭素濃縮法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005117137A1 (ja) * 2004-05-31 2005-12-08 Nissan Motor Co., Ltd. 光電気化学電池
CN110741504A (zh) * 2017-08-24 2020-01-31 熔盐电化学技术开发株式会社 二氧化碳电解-碳燃料电池一体型装置

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