(57)【要約】【課題】排出源から排出される二酸化炭素の削減がより低コストで行えるようにする。【解決手段】水素および水素を含む物質より選択された水素源を供給する水素源供給部１０１と、炭素を含んで構成された燃料の化学反応を利用する燃料使用装置１０２より排出される二酸化炭素と、水素源供給部１０１より供給された水素源の水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させ、炭素を含んで構成された燃料を生成する燃料生成部１０３と、燃料生成部１０３における化学反応の反応生成物質より炭素を含んで構成された燃料を分離する燃料分離部１０４とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素および水素を含む物質より選択された水素源を供給する水素源供給手段と、
炭素を含んで構成された燃料の化学反応を利用する燃料使用装置より排出される二酸化炭素と、前記水素源供給手段より供給された水素源の水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させ、炭素を含んで構成された燃料を生成する燃料生成手段と、
前記燃料生成手段における化学反応の反応生成物質より炭素を含んで構成された燃料を分離する燃料分離手段と
を少なくとも備えることを特徴とする二酸化炭素再資源化装置。
【請求項２】
請求項１記載の二酸化炭素再資源化装置において、
前記燃料使用装置より排出されるガスより二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段を備え、
前記燃料生成手段は、前記二酸化炭素分離手段で分離された二酸化炭素と水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させることを特徴とする二酸化炭素再資源化装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の二酸化炭素再資源化装置において、
燃料使用装置より排出される二酸化炭素を一時保存して前記燃料生成手段に供給する二酸化炭素の供給量を制御する供給量制御手段を備えることを特徴とする二酸化炭素再資源化装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の二酸化炭素再資源化装置において、
光が照射された光触媒を用いた二酸化炭素と水素との化学反応を促進させる反応助剤を前記燃料生成手段に供給する反応助剤供給手段を備えることを特徴とする二酸化炭素再資源化装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の二酸化炭素再資源化装置において、
前記燃料使用装置は、発電機であり、
前記発電機は、一酸化炭素，ギ酸，ホルムアルデヒド，メタノール，メタンの中より選択された物質を燃料として発電することを特徴とする二酸化炭素再資源化装置。
【請求項６】
請求項５記載の二酸化炭素再資源化装置において、
前記発電機は、燃料電池から構成されたものであることを特徴とする二酸化炭素再資源化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池などの燃料使用装置より排出される二酸化炭素を資源化する二酸化炭素再資源化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素は、地球温暖化の原因となる温室効果ガスの一つとして排出量削減が課題とされている。二酸化炭素の大気中への排出量を削減する方法としては、まず、省エネルギー機器の使用により電力使用量を減らし、発電所から発生する二酸化炭素を削減する省エネルギー化がある。また、電気自動車のように二酸化炭素を発生しない機器に交換するクリーン化がある。
【０００３】
これらに加え、排出源から排出された二酸化炭素を固定化し、大気中に放出させない固定化という方法がある。二酸化炭素の固定化の例としては、火力発電所から排出される二酸化炭素を回収し、地中などに貯留する技術開発の事例がある。また、炭化水素ガスを改質するなどして利用する燃料電池から排出される二酸化炭素を回収する技術も提案されている。また、回収した二酸化炭素を尿素やメタノール製造の原料とし、化学工場で使用するなどの実用例もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６５７５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１０８６１９号公報
【特許文献３】特開２００８−１０８６２１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】財団法人地球環境産業技術研究機構  編、「図解  ＣＯ2貯留テクノロジー」、株式会社工業調査会、初版２刷、２００８年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した技術では、主に二酸化炭素を回収するものであり、再資源化することがなされていない。また、再資源化する技術では、二酸化炭素排出源ではない化学工場などで利用されるが、このような化学工場が、必ずしも上述した排出源に隣接して立地されているとは限らない。このため、利用を行う場所に搬送する必要がある。しかしながら、このような利用形態では、回収（固定化）した二酸化炭素あるいは二酸化炭素からの生成物質を輸送するためのコストが発生する。このように、従来では、二酸化炭素が削減できるが、コストがかかるという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、排出源から排出される二酸化炭素の削減がより低コストで行えるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る二酸化炭素再資源化装置は、水素および水素を含む物質より選択された水素源を供給する水素源供給手段と、炭素を含んで構成された燃料の化学反応を利用する燃料使用装置より排出される二酸化炭素と、水素源供給手段より供給された水素源の水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させ、炭素を含んで構成された燃料を生成する燃料生成手段と、燃料生成手段における化学反応の反応生成物質より炭素を含んで構成された燃料を分離する燃料分離手段とを少なくとも備える。
【０００９】
上記二酸化炭素再資源化装置において、燃料使用装置より排出されるガスより二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段を備え、燃料生成手段は、二酸化炭素分離手段で分離された二酸化炭素と水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させるようにしてもよい。また、燃料使用装置より排出される二酸化炭素を一時保存して燃料生成手段に供給する二酸化炭素の供給量を制御する供給量制御手段を備えるようにしてもよい。
【００１０】
上記二酸化炭素再資源化装置において、光が照射された光触媒を用いた二酸化炭素と水素との化学反応を促進させる反応助剤を燃料生成手段に供給する反応助剤供給手段を備えるようにしてもよい。なお、燃料使用装置は、発電機であり、発電機は、一酸化炭素，ギ酸，ホルムアルデヒド，メタノール，メタンの中より選択された物質を燃料として発電するものであればよい。また、発電機は、燃料電池から構成されたものであればよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、炭素を含んで構成された燃料の化学反応を利用する燃料使用装置より排出される二酸化炭素と、水素源供給手段より供給された水素源の水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させ、炭素を含んで構成された燃料を生成するようにしたので、排出源である燃料使用装置から排出される二酸化炭素の削減がより低コストで行えるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における二酸化炭素再資源化装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態２における二酸化炭素再資源化装置２００の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態３における二酸化炭素再資源化装置３００の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１４】
[実施の形態１]
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における二酸化炭素再資源化装置の構成を示す構成図である。この装置は、水素および水素を含む物質より選択された水素源を供給する水素源供給部１０１と、炭素を含んで構成された燃料の化学反応を利用する燃料使用装置１０２より排出される二酸化炭素と、水素源供給部１０１より供給された水素源の水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させ、炭素を含んで構成された燃料を生成する燃料生成部１０３と、燃料生成部１０３における化学反応の反応生成物質より炭素を含んで構成された燃料を分離する燃料分離部１０４とを備える。
【００１５】
水素源供給部１０１は、例えば、水素ガスを燃料生成部１０３に供給する。また、水素源供給部１０１は、水素を含む物質として水を燃料生成部１０３に供給する。燃料使用装置１０２は、例えば、炭化水素ガスや炭化水素ガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池システムである。
【００１６】
燃料生成部１０３では、燃料使用装置１０２より排出される二酸化炭素と水素源供給部１０１より供給される水素源の水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させ、例えば、炭化水素化合物を燃料（燃料ガス）として生成する。この場合、上記化学反応により、炭化水素化合物とともに、水（Ｈ2Ｏ）が生成されるが、燃料分離部１０４は、これら生成物より炭化水素化合物を分離する。
【００１７】
また、燃料生成部１０３では、燃料使用装置１０２より排出される二酸化炭素と水素源供給部１０１より供給される水素源の水素とを、光が照射された光触媒を用いて化学反応させ、例えば、一酸化炭素を燃料として生成する。この場合、上記化学反応により、一酸化炭素とともに水（Ｈ2Ｏ）が生成されるが、燃料分離部１０４は、これら生成物より一酸化炭素を分離する。一酸化炭素は、炭素を含んで構成された燃料であり、燃料使用装置１０２で利用できる。
【００１８】
ここで、例えば、上記化学反応では、主に、炭化水素や一酸化炭素などの燃料とＨ2Ｏとが生成される。この場合、燃料分離部１０４は、冷却などにより水を液化し、気液分離膜を用いて、気体の燃料ガスを分離する。
【００１９】
なお、光触媒としては、例えば二酸化チタンを用いればよい。また、光触媒として、レニウム錯体などの錯体を用いてもよい。これらの光触媒に、例えば、太陽光を照射することで、上述した化学反応を起こさせることができる。
【００２０】
上述した本実施の形態によれば、排出源である燃料使用装置１０２より排出される二酸化炭素を、燃料使用装置１０２で利用できる燃料に再資源化するので、まず、排出される二酸化炭素が削減できるようになる。また、削減される二酸化炭素は、燃料に再資源化し、燃料使用装置１０２で燃料として利用できるので、コストが低減できるようになる。また、燃料への再資源化は、光を照射した光触媒を用いた化学反応により行っているため、例えば、太陽光を利用することができ、電力などを使用する必要がなく、この点でもコストの低減が図れる。また、水素源として水を用いる場合、再資源化のためのコストが大幅に削減できるようになる。
【００２１】
例えば、小規模な排出源の場合、排出される二酸化炭素の量が少ないため、規模の拡大による二酸化炭素の削減処理コストの低減効果が得られにくい。例えば、従来では、回収した二酸化炭素を尿素やメタノール製造の原料とし、化学工場で利用できるようにしているが、この場合、再資源化した原料を輸送するなどのコストがかかる。規模が小さい場合、このようなコストを回収することが容易ではない。これに対し、上述した本実施の形態によれば、再資源化した燃料を異なる工場に輸送する必要がないなど、小規模な排出源に特に効果的である。
【００２２】
[実施の形態２]
次に、本発明の実施の形態２について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における二酸化炭素再資源化装置２００の構成を示す構成図である。二酸化炭素再資源化装置２００は、反応部２０２，水素源供給部２０４，二酸化炭素分離部２０５，二酸化炭素貯留部（供給量制御手段）２０６，反応助剤貯留部（反応助剤供給手段）２０７を備える。
【００２３】
反応部２０２には、光エネルギー２２１を用いて二酸化炭素を燃料に化学変化させる光触媒２０３が収納されている。光触媒２０３は、二酸化炭素排出源である発電設備（発電機）２１５で用いることができる燃料を生成する水素と二酸化炭素との化学変化を、光エネルギー２２１を用いて促進（起こ）させる。この化学反応において必要となる水素は、水素源供給部２０４より供給される。水素源供給部２０４は、水素および水などの水素を含む物質より選択された水素源を供給する。
【００２４】
例えば、発電設備２１５では、燃料電池により発電を行っている場合、この燃料として、一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタンの少なくとも１種類を用いることができ、これら以外にも利用できる燃料の種類が多い。また、燃料電池では、二酸化炭素濃度の高い排ガスを排出し、二酸化炭素以外の排ガス成分としては水蒸気が主成分であり二酸化炭素回収後の排ガスがクリーンである。
【００２５】
光触媒２０３は、発電設備２１５である燃料電池で用いることができる一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタンの少なくとも１種類を生成する二酸化炭素と水素との化学反応を発生させるものであればよい。光触媒２０３の種類に特に制限はなく、金属系、酸化物系、硫化物系、有機金属錯体系など、種々の光触媒を用いることができるが、二酸化炭素排出源である発電設備２１５において用いることができる燃料を生成する光触媒の種類を、発電設備２１５に合わせて選択する。
【００２６】
発電設備２１５からの排ガスは、排ガス流路２０８を通じて排出され、二酸化炭素再資源化装置２００内の二酸化炭素分離部２０５に供給される。二酸化炭素分離部２０５は排ガス中の二酸化炭素を分離する。例えば、アミン系の吸着液を用いた化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、吸着分離法などにより、二酸化炭素が分離できる（非特許文献１参照）。また、リチウム複合酸化物から構成された二酸化炭素吸収材を用いて排ガス中の二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素を吸着した二酸化炭素吸収材を脱離温度にまで加熱することで、二酸化炭素を分離回収するようにしてもよい。
【００２７】
分離された二酸化炭素は、二酸化炭素流路２１０−１を通じて二酸化炭素貯留部２０６に供給される。二酸化炭素貯留部２０６は、例えば、よく知られたバッファタンクから構成すればよい。二酸化炭素を分離した後の二酸化炭素分離後の排ガスは、二酸化炭素分離後排ガス流路２０９を通じて排出される。
【００２８】
二酸化炭素分離部２０５は、二酸化炭素再資源化装置２００の外部に別の装置として設置されていてもよい。また、発電設備２１５からの排ガスの成分が二酸化炭素のみである場合には、二酸化炭素分離部２０５はなくてもよく、この場合、排ガス流路２０８は二酸化炭素貯留部２０６に接続される。また、二酸化炭素貯留部２０６を設けない場合、発電設備２１５からの排ガス流路２０８は、直接、反応部２０２に接続されることになる。
【００２９】
二酸化炭素貯留部２０６に貯留された二酸化炭素は、二酸化炭素流路２１０−２を通じて、反応部２０２に供給される。二酸化炭素貯留部２０６は、反応部２０２における光エネルギー２２１を用いた二酸化炭素の燃料への化学変化が、光エネルギー２２１の不足などにより供給される二酸化炭素を処理しきれない場合などに、反応部２０２に供給される二酸化炭素量を制限するために設けられる。
【００３０】
反応部２０２における光エネルギー２２１を用いた二酸化炭素の燃料への化学変化が十分に維持できる場合には、二酸化炭素貯留部２０６はなくてもよい。この場合、二酸化炭素は、二酸化炭素分離部２０５から直接、反応部２０２に接続されるか、あるいは、二酸化炭素分離部２０５も存在しない場合には発電設備２１５からの排ガス流路２０８が、直接、反応部２０２に接続される。
【００３１】
反応部２０２では、二酸化炭素および水素源が供給され、光エネルギー２２１を用いて二酸化炭素は燃料に化学変化される。燃料以外の副生成物は、副生成物流路２１２を通じて二酸化炭素再資源化装置２００の外部に排出される。本実施の形態では、反応部２０２が、上記化学反応の反応生成物質より炭素を含んで構成された燃料を分離する分離部の機能を備えている。
【００３２】
反応部２０２における二酸化炭素の燃料への化学変化において、反応助剤が必要となる場合には、反応助剤も反応部２０２に供給される。反応助剤は二酸化炭素再資源化装置２００の外部から反応助剤流路２１１−１を通じて供給され、反応助剤貯留部２０７に貯留した後、必要量が反応助剤流路２１１−２を通じて、反応部２０２に供給される。
【００３３】
貯留の必要なく反応助剤を反応部２０２に供給できる場合には、反応助剤流路２１１−１は、直接、反応部２０２に接続してもよい。この場合、反応助剤貯留部２０７と反応助剤流路２１１−２は、なくてもよい。また、反応助剤は、反応助剤流路２１１−１を通じての供給ではなく、人為的に反応助剤貯留部２０７に供給、あるいは、反応助剤貯留部２０７をカートリッジ形式として交換してもよく、供給手段は限定されない。
【００３４】
反応部２０２で二酸化炭素から化学変化で生成された燃料は、燃料流路２１３−１を通じて、発電設備２１５に燃料を供給する燃料貯留部２１４に供給される。燃料貯留部２１４は、燃料流路２１３−２を通じて発電設備２１５に燃料を供給する。また、燃料流路２１３−３を通じて外部から燃料が供給される。反応部２０２で二酸化炭素から化学変化で生成された燃料は、燃料貯留部２１４に供給されることで、発電設備２１５の燃料として再利用される。
【００３５】
燃料貯留部２１４は、発電設備２１５内に設置されていてもよい。また、燃料貯留部２１４を設置せずに、反応部２０２で生成された燃料を、直接、発電設備２１５に供給してもよい。この場合、外部から燃料を供給する燃料流路２１３−３は、直接、発電設備２１５に接続するか、燃料流路２１３−１と接続することができる。ただし、反応部２０２への燃料の逆流を防ぐために、外部からの燃料供給量の調整機構、あるいは、燃料流路２１３−１に逆流防止の機構を設置する必要がある。
【００３６】
また、燃料流路２１３−１に限らず、上述した全ての流路には、逆流防止の機構を設置しておくことが望ましい。
【００３７】
上述した本実施の形態によれば、排出源である発電設備２１５より排出される二酸化炭素を、発電設備２１５で利用できる燃料に再資源化するので、まず、排出される二酸化炭素が削減できるようになる。また、削減される二酸化炭素は、燃料に再資源化し、発電設備２１５で燃料として利用できるので、コストが低減できるようになる。また、燃料への再資源化は、光を照射した光触媒を用いた化学反応により行っているため、例えば、太陽光を利用することができ、電力などを使用する必要がなく、この点でもコストの低減が図れる。
【００３８】
[実施の形態３]
次に、本発明の実施の形態３について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３における二酸化炭素再資源化装置３００の構成を示す構成図である。二酸化炭素再資源化装置３００は、反応部３０２，水素源供給部３０４，二酸化炭素分離部３０５，二酸化炭素貯留部（供給量制御手段）３０６を備える。
【００３９】
反応部３０２には、光エネルギー３２１を用いて二酸化炭素を燃料に化学変化させる光触媒として二酸化チタン３０３が収納されている。二酸化チタン３０３は、メタンを生成する水素と二酸化炭素との化学変化を、光エネルギー３２１を用いて起こさせる。メタンは、二酸化炭素排出源である固体酸化物形燃料電池３１５で用いることができる燃料である。この化学反応において必要となる水素は、水素源供給部３０４より供給される。
【００４０】
固体酸化物形燃料電池３１５からの排ガスは、排ガス流路３０８を通じて排出され、二酸化炭素再資源化装置３００内の二酸化炭素分離部３０５に供給される。二酸化炭素分離部３０５は排ガス中の二酸化炭素を分離し、分離された二酸化炭素は二酸化炭素流路３１０−１を通じて二酸化炭素貯留部３０６に供給される。二酸化炭素が分離された後の二酸化炭素分離後の排ガスは、二酸化炭素分離後排ガス流路３０９を通じて排出される。
【００４１】
二酸化炭素貯留部３０６に貯留された二酸化炭素は、二酸化炭素流路３１０−２を通じて、反応部３０２に供給される。二酸化炭素貯留部３０６は、反応部３０２における光エネルギー３２１を用いた二酸化炭素の燃料への化学変化が、光エネルギー３２１の不足などにより供給される二酸化炭素を処理しきれない場合などに、反応部３０２に供給される二酸化炭素量を制限するために設けられる。
【００４２】
反応部３０２では、二酸化炭素および水素源が供給され、光エネルギー３２１を用いて二酸化炭素は燃料（メタン）に化学変化される。燃料以外の副生成物は、副生成物流路３１２を通じて二酸化炭素再資源化装置３００の外部に排出される。本実施の形態では、反応部３０２が、上記化学反応の反応生成物質より炭素を含んで構成された燃料を分離する分離部の機能を備えている。例えば、二酸化チタンを用いた光化学反応では、二酸化炭素と水素とから、メタンと水（Ｈ2Ｏ：副生成物）とが生成される。この場合、例えば、冷却などにより水を液化し、気液分離膜などを用いることで、気体のメタンを容易に分離することができる。
【００４３】
反応部３０２で二酸化炭素から化学変化で生成されて分離されたメタンは、燃料流路３１３−１を通じて、固体酸化物形燃料電池３１５に供給される。また、燃料流路３１３−３を通じて外部から燃料が供給される。なお、固体酸化物形燃料電池３１５に外部から供給される燃料は、メタンと混合した状態で供給されても固体酸化物形燃料電池３１５を運転可能である燃料であれば、種類は限定されず、メタンなどの炭化水素のほか、都市ガスなどを用いることができる。
【００４４】
ここで、反応部３０２への燃料の逆流を防ぐために、外部からの燃料供給量の調整、あるいは、燃料流路３１３−１に逆流防止の機構を設置する必要がある。また、燃料流路３１３−１に限らず、上述した全ての流路には、逆流防止の機構を設置しておくことが望ましい。
【００４５】
上述したように、反応部３０２で二酸化炭素から化学変化で生成されたメタンは、固体酸化物形燃料電池３１５の燃料として再利用される。このように、本実施の形態においても、排出源である固体酸化物形燃料電池３１５より排出される二酸化炭素を、固体酸化物形燃料電池３１５で利用できる燃料に再資源化するので、まず、排出される二酸化炭素が削減できるようになる。また、削減される二酸化炭素は、燃料に再資源化し、固体酸化物形燃料電池３１５で燃料として利用できるので、コストが低減できるようになる。また、燃料への再資源化は、光を照射した光触媒を用いた化学反応により行っているため、例えば、太陽光を利用することができ、電力などを使用する必要がなく、この点でもコストの低減が図れる。
【００４６】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１…水素源供給部、１０２…燃料使用装置、１０３…燃料生成部、１０４…燃料分離部。
【図１】
2012219233.tif 000003
【図２】
2012219233.tif 000004
【図３】
2012219233.tif 000005