(57)【要約】  【課題】  より低廉かつ効率的さらに安定した二酸化炭素の除去と水素の生成。  【解決手段】  ナトリウムイオンを透過する電解質１０と、電解質１０に設けられナトリウム化合物の水溶液が供されるアノード１１と、電解質１０に設けられ水若しくは水酸化ナトリウム水溶液と混合させた被処理ガスが供されるカソード１２とを備え、この両極間に直流電圧を印加してカソード１１側においてガス中の二酸化炭素を炭酸塩の形態で分離除去するすると共に水素ガスを生成するガス処理装置１と、前記ガス処理装置の被処理ガス供給ラインにキャリアガスによって水を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する手段１４とを備えた。尚、被処理ガスをガス処理装置１に供するにあたり、水の他に水酸化ナトリウム水溶液を注入してもよい。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナトリウムイオンを透過する電解質にアノードとカソードとを設け、前記アノードにナトリウム化合物の水溶液を接触すると共に前記カソードに被処理ガスを供し、この両極間に直流電圧を印加することにより、カソード側において前記ガス中の二酸化炭素成分を炭酸塩の形態で分離除去すると共に水成分を水素ガスに変換する工程と、
前記被処理ガスの供給ラインにキャリアガスによって水若しくは水酸化ナトリウム水溶液を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する工程とを有すること
を特徴とするガス処理方法。
【請求項２】
被処理ガスは汚泥消化ガスまたはバイオガスであること
を特徴とする請求項１記載のガス処理方法。
【請求項３】
ナトリウムイオンを透過する電解質と、前記電解質に設けられナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、前記電解質に設けられ被処理ガスが供されるカソードとを備え、この両極間に直流電圧を印加してカソード側においてガス中の二酸化炭素を炭酸塩の形態で分離除去するすると共に水素ガスを生成するガス処理装置と、
前記ガス処理装置の被処理ガス供給ラインにキャリアガスによって水若しくは水酸化ナトリウム水溶液を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する手段とを備えたこと
を特徴とするガス処理システム。
【請求項４】
前記水酸化ナトリウム水溶液を注入する場合、被処理ガスをガス処理装置に供給する配管には、被処理ガスと水酸化ナトリウムを混合する混合配管を設けたこと
を特徴とする請求項３記載のガス処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス処理方法とそのシステム、特に、ガス中の二酸化炭素の除去すると共に水素ガスを生成するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
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】
前記圧力スイング法は、ゼオライトなどの二酸化炭素吸着性物質を充填し、二酸化炭素を吸着させている。そして、吸着が飽和した後は、低圧若しくは高温状態に保持し、吸着した二酸化炭素を放出している。
【０００８】
前記膜分離法は、二酸化炭素選択透過性の膜（ポリ（［１−トリメチルシリル］）プロピレン、ポリジメチルシロキサン等）の一方に加圧ガスを導入し、二酸化炭素を選択的に透過させ、二酸化炭素濃度を高める方法である。
【０００９】
前記溶解方法は、大きく二つの方法がある。第一の方法は、水酸化ナトリウム水溶液に二酸化炭素を吸収させて炭酸塩（Ｎａ2ＣＯ3）となる現象を用いたものである。
【００１０】
２ＮａＯＨ  ＋  ＣＯ2  →  Ｎａ2ＣＯ3  ＋  Ｈ2Ｏ
また、第二の方法は、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）の熱分解・吸収法を利用している。
【００１１】
２ＮａＨＣＯ3  →  Ｎａ2ＣＯ3  ＋  ＣＯ2  ＋  Ｈ2Ｏ  （６５℃以上）
Ｎａ2ＣＯ3  ＋  ＣＯ2  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ２ＮａＨＣＯ3  （室温〜５０℃）
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。水素ガスの工業的な製造方法として、主に以下の方法が知られている（非特許文献２）。
【００１２】
１）水電解法  １５〜２０％苛性ソーダ溶液を、ニッケルメッキ電極を用いて、電解し、純水素とともに副生酸素をも得る方法である。
【００１３】
２）コークスのガス化  コークスを原料として水性ガスを製造する方法である。通常、赤熱コークスに空気を送入して燃焼させ、炉温を上げるブローと水蒸気を送入してガスを発生させるランを短い周期で間欠式水素発生炉が古くから知られているが、その後に、酸素と水蒸気の混合気を送入する連続式水性ガス発生炉が登場した。ここで、水性ガスは除塵、水洗浄、脱硫などの、精製工程を経て、ガス中の一酸化炭素を、水性ガス転化反応を利用して、水素に転化させ、同時に生成する二酸化炭素を吸着除去し微量の一酸化炭素を除いて、不純物のない水素としている。
【００１４】
３）石炭の完全ガス化  微細炭または微粉炭に酸素と水蒸気を送入してガス化する方法で、その主反応は炭化水素と酸素及び水蒸気の反応で、これにより水素、一酸化炭素、あるいはメタンを主成分とするガスを製造させている。ウインクラーガス発生炉、コッパース−トチェックガス発生炉、オットー−ルンメルガス発生炉など最近発展した方法はほとんどが、これに属する。生成ガスの性状や精製方法、変成方法は、ほとんど２）の方法と同じである。
【００１５】
４）石油類のガス化、天然ガス、コークス炉ガス、石油精製廃ガスなどの変成  原料が液体燃料のときはガス化といい、ガス体燃料のときは変成というが、これらは、反応の本質が炭化水素と酸素または水蒸気の反応により同一性状のガスを得る点で、同一である。また、前述の石炭の完全ガス化は固体炭化水素である石炭を原料とし、同一反応といえる。コッパース−トチェックガス発生炉、ファウザー−モンテカチニガス発生炉など、常圧のガス発生炉に対し、最近はテキサコガス発生炉、シェルガス発生炉など加圧ガス発生炉の進展が著しい。ガス体炭化水素の変成には触媒使用の接触分解法も広く行われている。
【００１６】
５）コークスガスよりの分離  コークスガス発生炉からのガスを圧縮冷却して、水素以外のガスの全て液化除去し、水素を分離する方法である。炉ガスから常法によりイオウ化合物を除去し、約１２気圧に圧縮して水及び苛性ソーダ溶液で洗浄し、二酸化炭素を除去、−４０℃で水、−６０℃でメタンその他の炭化水素、一酸化炭素を凝縮除去し、水素を分離している。
【００１７】
６）鉄と水蒸気との反応  この手段はメーサシュミット法と呼ばれる。すなわち、リョウテツ鉱（ＦｅＣＯ3）を焼いてＦｅ3Ｏ4とし、さらにこれを水性ガス（ＣＯ＋Ｈ2）などで還元してＦｅＯとし、これにＨ2Ｏを反応させることで、ＦｅＯが酸化され、これに伴い、純水素が得られる。
【非特許文献１】長倉三郎他編「理化学辞典」、岩波書店
【特許文献１】特許第２５２１８８４号公報（第２〜４頁）
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
圧力スイング法は、二酸化炭素以外に水成分も吸着されるため、前段に脱水装置を設ける必要がある。また、連続処理が不可能であり、処理塔を最低２つ必要、加温設備、真空装置設備などの付加設備が必要で大規模な設備となる。
【００１９】
高分子膜を用いた膜分離法は、膜自身に受けるガス圧力・二酸化炭素透過性を最適化するのが難しく高価となる。さらに、一般に、二酸化炭素の他に窒素、酸素などの気体も透過するため、完全な分離は困難となる。さらに、ガス加圧装置などの付加設備も大型となる。
【００２０】
第一の溶解方法は、非常に簡単な方法であるが、生成した炭酸塩（Ｎａ2ＣＯ3）の後処理が困難であり（塩酸による中和）、これまでは加熱・乾燥後廃棄処分されているのが現状である。また、第二の溶解方法では、炭酸水素ナトリウムの二酸化炭素に対する吸収量及び吸収速度が水酸化ナトリウム水溶液に対して非常に遅いため非効率となる。
【００２１】
一方、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。
【００２２】
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。
【００２３】
このように、従来の二酸化炭素除去技術及び水素製造技術は、大掛かりな装置が必要であること、またイニシャルコスト及びランニングコストが高く、さらに二酸化炭素除去率及び水素生成効率が低いという問題がある。特に、温室効果ガスの大部分を占める二酸化炭素の排出源のほとんどは、下水処理場や工場であることからも、これら施設のランニングコストも考慮した二酸化炭素の除去と水素生成の方法の構築が必要となる。
【００２４】
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その目的は、より低廉かつ効率的さらに安定した二酸化炭素の除去と水素の生成を行なうガス処理方法とそのシステムの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
前記課題を解決するために、本発明のガス処理方法は、ナトリウムイオンを透過する電解質にアノードとカソードとを設け、前記アノードにナトリウム化合物の水溶液を接触すると共に前記カソードに被処理ガスを供し、この両極間に直流電圧を印加することにより、カソード側において前記ガス中の二酸化炭素成分を炭酸塩の形態で分離除去すると共に水成分を水素ガスに変換する工程と、
前記被処理ガスの供給ラインにキャリアガスによって水若しくは水酸化ナトリウム水溶液を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する工程とを有することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明のガス処理システムは、ナトリウムイオンを透過する電解質と、前記電解質に設けられナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、前記電解質に設けられ被処理ガスが供されるカソードとを備え、この両極間に直流電圧を印加してカソード側においてガス中の二酸化炭素を炭酸塩の形態で分離除去するすると共に水素ガスを生成するガス処理装置と、
前記ガス処理装置の被処理ガス供給ラインにキャリアガスによって水若しくは水酸化ナトリウム水溶液を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する手段とを備えたことを特徴とする。
【００２７】
本発明のガス処理方法及びガス処理システムによれば、被処理ガス供給ラインに水をキャリアガスによって注入することで、カソードで吸蔵させた炭酸塩を水溶液化させると共にキャリアガス流よって生成した炭酸塩水溶液を強制排除している。これより吸蔵された炭酸塩は容易に系外除去されると共に、カソード上に被処理ガスとの反応面が新たに確保される。したがって、効率的且つ連続的な二酸化炭素の除去と水素の生成が可能となる。また、被処理ガスに水を注入することで、常温のもとで二酸化炭素の除去と水素の生成を行なえるので、エネルギーコストを抑えることができると共に、耐熱温度が低い電解質膜を用いることができる。したがって、本発明で用いる電解質膜は、耐熱温度を考慮する必要がなく、ナトリウムイオンを泳動させるものであればよい。そして、汚泥消化ガスやバイオガスを被処理ガスとすれば、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できる。尚、キャリアガスとしては空気または窒素ガスがある。また、バイオガスとは人間及びこれ以外の動物の活動によって生成したガスを意味する。
【００２８】
さらに、水の他に水酸化ナトリウム水溶液をキャリアガスによって注入してもよい。被処理ガス供給ラインに水酸化ナトリウム水溶液を注入することで、被処理ガス中の二酸化炭素がある程度吸収されるので、ガス処理装置のカソードで反応させる二酸化炭素の反応量を低減させることができ、消費電力をより一層抑えることができる。また、水酸化ナトリウム水溶液または二酸化炭素を吸収して生成した炭酸塩水溶液がガス処理装置内に導入されることで、ガス処理装置内の電解質膜とカソードとの界面の導電性を保つことができると共にカソード上のナトリウムイオンの濃度が高まり、ガス処理装置の動作特性（二酸化炭素除去能力及び水素生成能力）が安定さらには向上する。尚、被処理ガスをガス処理装置に供給する配管に被処理ガスと水酸化ナトリウムとを混合する混合配管を設けると、被処理ガスと水酸化ナトリウムとの接触時間が確保され、前記作用効果はより一層高まる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のガス処理方法とそのシステムによれば、被処理ガスの供給ラインに水をキャリアガスによって注入することで、カソードで吸蔵させた炭酸塩を水溶液化させると共にキャリアガス流よって生成した炭酸塩水溶液を強制排除している。これより、吸蔵された炭酸塩は容易に系外除去されると共に、カソード上に被処理ガスとの反応面が新たに確保されるので、効率的且つ連続的な二酸化炭素の除去と水素の生成が行なえる。また、被処理ガスに水を注入することで、常温のもとで二酸化炭素の除去と水素の生成が可能なので、エネルギーコストを抑えることができると共に、本発明で用いる電解質の耐熱温度を考慮する必要がなく、装置システムのイニシャルコストを抑えることができる。そして、汚泥消化ガスやバイオガスを被処理ガスとすれば、これらのガスを効率的にメタンや水素に富んだ高エネルギーガスに変換できる。
【００３０】
また、水の他に水酸化ナトリウム水溶液を注入することで、被処理ガス中の二酸化炭素がある程度吸収され、ガス処理装置のカソードで反応させる二酸化炭素の反応量を低減させることができるので、消費電力をより一層抑えることができる。さらに、水酸化ナトリウム水溶液または二酸化炭素を吸収して得た炭酸塩水溶液がガス処理装置内に導入されることで、ガス処理装置内の電解質膜とカソードとの界面の導電性を保つことができると共にカソード上のナトリウムイオンの濃度が高まり、ガス処理装置の動作特性（二酸化炭素除去能力及び水素生成能力）が安定さらには向上する。
【００３１】
以上のように、本発明によれば、より低廉かつ効率的さらに安定した二酸化炭素の除去と水素の生成が行なえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】
（実施形態１）
図１は、本実施形態のガス処理システムの概略図である。当該ガス処理システムは、ガス処理装置１における被処理ガス供給系に水注入手段１４を備えている。
【００３４】
図示されたガス処理装置１は、ナトリウム化合物水溶液（図１おいてはＮａ+源と呼称）が供給されるアノード１１と被処理ガスが供給されるカソード１２とを設けた電解質１０と、この両極間に直流電圧を印加する電源１３とを備えている。
【００３５】
電解質１０は、ナトリウムイオン交換機能を有するポリマー製電解質膜である。例えば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。また、その他の電解質としては、β−アルミナ（Na2O・11Al2O3）、ＮＡＳＩＣＯＮ（Na1+XZr2P3-XSiXO12，Xは実数，0＜X＜3）等が例示される。
【００３６】
ナトリウム化合物水溶液には、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）水溶液または炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）水溶液等が採用される。
【００３７】
アノード１１とカソード１２としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉ、若しくはこれらの酸化物等が例示され、多孔質性の電極が用いられる。当該電極は、電解質１０において、スクリーン印刷、はけ塗り、蒸着、溶射、ディップコーティング等によって形成する他、金属繊維（多孔体）を圧接することによって形成することもできる。
【００３８】
電源１３は、直流電圧を印加する機能を有するものが採用され、既知のものでよい。電圧を印加するための電源は、一般の定電位電源（ポテンションスタット等）を用いることができるが、電流密度が可変であるものを用いるとよい。尚、電流密度を調節する一つの手段として、印加電圧の調整がある。
【００３９】
ここで、図３及び図４にガス処理装置１の実施形態例を示した。
【００４０】
図３（ａ）に示したガス処理装置は、アノード１１とカソード１２を備えた電解質５０を、アノード側枠体５１とカソード側枠体５２とで挟み込んで構成されるセル５０となっている。このとき、アノード側枠体５１には、ナトリウム化合物水溶液（図においてはＮａ+源と呼称）を一時的に滞留させる流路が設けられ、この水溶液を供給するための供給管５１１と、この水溶液を排出するための排出管５１２と、が接続される。同様に、カソード側枠体５２には、被処理ガスを一時的に滞留させる流路が設けられ、被処理ガスを供給するための供給管５２１と、処理ガスを排出するための排出管５２２とが接続される。また、アノード側枠体５１及びカソード側枠体５２の流路において、迂流板５２３が設けられている。図３（ａ）に開示されたカソード側枠体においては、迂流板５２３は一枚設置されているが、これに限定されず、図３（ｂ）に示した枠体５１，５２のように、複数備えてもよい。このような構成とすれば、導入被処理ガス及びこれに含まれる水またはナトリウム化合物水溶液を電解質１０のアノード面及びカソード面に対し均一に供給することができるので、二酸化炭素の除去効率及び水素の生成効率が高まる。
【００４１】
また、セル構造を成したガス処理装置は、図３（ｃ）に示したように、被処理ガスの負荷量等に応じて複数設置される。当該実施形態に係るガス処理装置は、セル５０が３枚設置された構成となっている。このとき、装置の側面には、マニホールド５３，５４，５５，５６が設置される。マニホールド５３には、被処理ガスを供給するための供給管１２１が接続されている。マニホールド５４には、処理ガスを排出するための排出管１２２が接続されている。マニホールド５５には、ナトリウム化合物水溶液を供給するための供給管１１１が接続されている。マニホールド５６には、ナトリウム化合物水溶液を排出するための排出管１２１が接続されている。
【００４２】
図４（ａ）は、二枚の電解質１０を積層した場合の構成例である。積層枚数は被処理ガスの負荷量等によって定まる。図示されたように、２枚の電解質１０が、セパレータ６２を介して、積層され、上下からそれぞれプレート６１，６３が設けられている。このとき、プレート６１には、ナトリウム化合物水溶液（図においてはＮａ+源）の流路が設けられている。セパレータ６２の上面には、被処理ガスの流路が設けられ、また下面には、ナトリウム化合物水溶液の流路が設けられている。セパレータ５３には、被処理ガスの流路が設けられている。そして、図４（ｃ）に示されたように、被処理ガスの流入側には供給管１２１を設けたマニホールド６４が、処理ガスの排出側には排出管１２２を設けたマニホールド６５が設置される。また、ナトリウム化合物水溶液の流入側には、流入管１１１を設けたマニホールド６６が、さらに排出側には、排出管１１２を設けたマニホールド６７が設置される。尚、図４（ｂ）に例示したセパレータ６２における仕切板６２１のように、プレート６１，６３及びセパレータ６２に設けられた流路には複数の仕切板を設けるとよい。このような構成とすることで、導入した被処理ガス及びこれに含まれる水または後述（実施形態２）のナトリウム化合物水溶液を電解質１０のアノード面及びカソード面に対し均一に供給することができるので、二酸化炭素の除去効率及び水素の生成効率が高まる。
【００４３】
本実施形態では、ナトリウム化合物水溶液（Ｎａ+源）は、調整槽３からポンプＰ１によって導入している。余剰のナトリウム化合物水溶液は、排出管１１２を介して調整槽３に返送される。調整槽３は、アノード１１に供給するためのナトリウム化合物水溶液を一時的に貯留するためのタンク３０を備える。このとき、タンク３０内液相のナトリウムイオン濃度は一定に調整される。そのために、タンク３０は、ナトリウムイオン濃度を測定するためのイオン濃度測定手段３１と、高濃度ナトリウムイオン源や水を供給するための配管３２とを備え、さらに、配管３２には、タンク３０内液相のイオン濃度に基づき開閉動作するバルブ手段を設けている。イオン濃度測定手段としては、例えば、ｐＨ測定機能を備え、ｐＨ値に基づきナトリウムイオンの濃度を算出している。
【００４４】
また、被処理ガスは配管１００を介してガス処理装置１内に導入している。配管１００には水注入手段１４が具備されている。
【００４５】
図５は水注入手段の実施形態例を示した概略図である。水注入手段１４はキャリアガスによって水を配管１００内に水を注入する。また、ガス処理装置１内のカソード１２に吸蔵された炭酸塩の量に応じて水を適宜連続的にまたは断続的に注入する。水注入手段１４は、水を貯留させたタンク１４０と、タンク１４０内の液相中に導入されキャリアガスを供給する配管１４１と、キャリアガスと共にタンク１４０内の水を排出するための配管１４２とを備える。キャリアガスとしては空気や窒素ガスが例示される。前記空気は二酸化炭素成分を含んでいてもよい。水の流量は少なくとも被処理ガスの供給の妨げにならない程度及びカソード１２において炭酸塩水溶液が生じる程度に設定するとよい。尚、水の逆流を防ぐために、配管１４２には逆止弁を設けたり、さらには配管１００と配管１４２の接続位置を供給管１２１の据付位置よりも高く設定するとよい。
【００４６】
一方、処理ガスはカソード１２で生成した炭酸塩水溶液と共に気液分離槽２に供され気液分離処理される。気液分離槽２は、炭酸塩の水溶液を滞留させている。
【００４７】
次に、図１を参照しながら、本実施形態のガス処理システムの動作例について説明する。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ＣＨ4とＣＯ2とを含んだガスである場合について述べる。
【００４８】
当該ガス処理システムにおける二酸化炭素ガス除去及び水素生成は、アノード１１とカソード１２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、図１に示したように、アノード１１側には供給管１１１からＮａＯＨ水溶液が供給され、アノード１１はこのナトリウムイオン源によって浸漬された状態となる。また、カソード１２側には供給管１２１から被処理ガスが供給される。被処理ガスは水注入手段１４によって水分（Ｈ2Ｏ）を含んでいる。ここで、アノード１１とカソード１２の両極間に電源１３から直流電圧を印加すると、先ずＮａＯＨが接触したアノード１１表面においては、以下の反応が起こる。
【００４９】
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１１を通過し、電解質１０を泳動し、カソード１２に達する。一方、アノード１１側で遊離した電子（ｅ-）は、電源１３を経由して、カソード１２に達する。
【００５０】
ここで、気相中の二酸化炭素（ＣＯ2）及び水分（Ｈ2Ｏ）がカソード１２表面に接触すると、以下の反応が起こる。
【００５１】
Ｎａ+＋ｅ-＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ  →  ＮａＨＣＯ3  ＋  １／２Ｈ2  …（３）
２Ｎａ+＋  ＣＯ2  ＋  Ｈ2Ｏ  ＋２ｅ-  →  Ｎａ2ＣＯ3  ＋  Ｈ2  …（４）
このようにして、被処理ガス中に含まれる二酸化炭素は炭酸塩の形態でカソード１２表面に固定されることで分離除去されると共に水素ガスが生成される。また、カソード１２で生成した炭酸塩は水注入手段１４から供給された水によって容易に水溶液化される。そして、炭酸塩水溶液は直ちに導入されたキャリアガス流よって装置１外に強制排出され、カソード１２上に被処理ガスとの反応面が新たに確保される。したがって、連続的な二酸化炭素の除去と水素の生成が可能となる。また、水を混合させた被処理ガスをガス処理装置１に供給したことで、常温での二酸化炭素の除去と水素の生成が可能となる。炭酸塩水溶液は処理ガスと共に気液分離槽２に供されて気液分離処理される。この際、ガス中に残留する二酸化炭素成分が炭酸塩水溶液によって吸収除去される。気液分離槽２で捕集された炭酸塩水溶液は、再生槽４にて水酸化ナトリウム水溶液に変換された後にポンプＰ２によって調整槽３に返流される。再生槽４としては例えば特願２００２−３４３５０８（段落番号（００６０）〜（００７７）及び図５）に開示したものがある。
【００５２】
以上のように、本実施形態に係るガス処理システムによれば、被処理ガスに水を注入することで、効率的な二酸化炭素の除去と水素の生成を行うことができる。また、常温のもとで二酸化炭素の除去と水素の生成を行うことができるので、塩化ビニル樹脂やフッ素樹脂さらには過フッ素化スルホン酸ポリマーを基材とする電解質膜のような動作温度の低い電解質を好適に用いることができる。したがって、エネルギーコストを抑えることができ低廉な二酸化炭素の除去と水素の生成が行なえる。
【００５３】
さらに、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システムに供することで、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システムに供することで、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。
【００５４】
（実施形態２）
図２は、本実施形態のガス処理システムの概略図を示す。尚、図１に開示された手段と同じ構成のものには同符号を付してその詳細の説明を適宜省略した。
【００５５】
本実施形態のガス処理システムは、ガス処理装置１への被処理ガス供給ラインに水酸化ナトリウム水溶液をキャリアガスによって注入する水酸化ナトリウム水溶液注入手段１５を備える。水酸化ナトリウム水溶液注入手段１５は、図５に示した水注入手段１４と同様に、一定濃度の水酸化ナトリウム水溶液を貯留したタンク１５０と、タンク１５０内の液相中に導入されキャリアガスを供給する配管１５１と、キャリアガスと共にタンク１５０内の水を排出するための配管１５２とを備える。キャリアガスとしては空気や窒素ガスが例示される。水酸化ナトリウム水溶液は、例えば０．１〜１０ｍｏｌ／ｌ程度に調整されたものが用いられる。
【００５６】
水酸化ナトリウム水溶液注入手段１５は、ガス処理装置１内のカソード１２に吸蔵された炭酸塩の量に応じて水を適宜連続的にまたは断続的に注入する。配管１００内に水酸化ナトリウム水溶液が注入されると、配管１００内を流通するガス中のある程度の二酸化炭素成分が水酸化ナトリウム水溶液によって吸収除去される。また、ガス処理装置１内においては、カソード１２で生成した炭酸塩が供給された水酸化ナトリウム水溶液によって容易に水溶液化される。さらに、炭酸塩水溶液は直ちに導入されたキャリアガス流よって装置１外に強制排出され、カソード１２上に被処理ガスとの反応面が新たに確保される。また、水酸化ナトリウム水溶液または生成した炭酸塩水溶液によって電解質１０とカソード１２との界面の導電性が維持され、ガス処理装置の動特性（二酸化炭素除去能及び水素生成能）は安定する。さらに、カソード１２の表面はナトリウムイオン濃度が高まっているので、被処理ガスがカソード１２に接触するとガス中の二酸化炭素成分が容易に吸収され、二酸化炭素除去効率及び水素生成効率が一層高まる。ガス処理装置１からは水酸化ナトリウム水溶液を導入した分だけの炭酸ナトリウムまたは炭酸水素ナトリウムの水溶液が排出されてくるが、これらの水溶液は再生槽４に供してやれば、アノード１１へのナトリウムイオン源として再利用できる。また、実施形態１と同様に水酸化ナトリウム水溶液の逆流を防ぐために、配管１０２には逆止弁を設けるとよい。このとき、配管１００と配管１５２の接続位置を供給管１２１の据付位置よりも高く設定するとなおよい。尚、配管１００には、被処理ガスと水酸化ナトリウム水溶液とを混合させる混合配管１０３を設けるとよい。図２においては、螺旋状の配管が開示されているが、混合配管１０３は被処理ガスと水酸化ナトリウム水溶液とを混合できるものであれば図示された形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明のガス処理システムの実施形態例を示す概略図。
【図２】本発明のガス処理システムの実施形態例を示す概略図。
【図３】ガス処理装置の実施形態例を示す概略図。
【図４】ガス処理装置の実施形態例を示す概略図。
【図５】水注入手段の実施形態例を示す概略図。
【符号の説明】
【００５８】
１…ガス処理装置、１０…電解質膜、１１…アノード、１２…カソード、１００…配管、１０３…混合配管、１１１，１２１…供給管、１１２，１２２…排出管、１３…電源
１４…水注入手段、１５…水酸化ナトリウム水溶液注入手段、１４０，１５０…タンク、１４１，１４２，１５１，１５２…配管
２…気液分離槽
３…調整槽、３０…タンク、３１…イオン濃度計、３２…配管
【図１】
2005052762.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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