(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融炭酸塩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機を用い、上記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、該アノード側で電気化学反応を行わせることにより、炭酸イオンから二酸化炭素と酸素とを濃縮分離させてアノード出口ガスとして排出させ、しかる後、該アノード出口ガス中から二酸化炭素を分離して、残った酸素ガスを上記カソードの入口に供給することを特徴とする二酸化炭素の電気化学的分離法。
【請求項２】
アノード出口ガス中の二酸化炭素を分離させるために、圧縮液化分離機を用いる請求項１記載の二酸化炭素の電気化学的分離法。
【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）を溶融炭酸塩を利用して電気化学的に濃縮して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）の如き低濃度の多量のＣＯ2 ガスである。
【０００３】
上記低濃度のＣＯ2 ガスを電気化学的に濃縮して分離回収する技術の研究開発が最近進められているが、現時点では具現化されていない。
【０００４】
一方、類似技術として、電気化学的セルを用いて、カソード側への空気の供給により、酸素（Ｏ2 ）の濃縮を電気化学的に行わせるようにしたものが提案されている（特公平７−２０５３２号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記提案されている技術の場合には、火力発電所の排ガスのようなＯ2 濃度の低いガスを対象としたものではないので、低濃度のＣＯ2 ガスとＯ2 ガスを含む排ガスの濃縮、分離のために単に採用すると、カソード側の酸素が不足して反応が維持できず、反応維持のために空気を加えるようにすると流量が多くなると共に供給のための動力が必要となり、又、二酸化炭素濃度も低下して過電圧が大きくなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、電気化学的セルを用いてアノード側で排ガス中の二酸化炭素のほかに酸素も濃縮されることに注目してなしたもので、カソードに供給される排ガス中の酸素濃度を確保して酸欠をなくし、又、過電圧を低減させることができるようにして、排ガスから純粋な二酸化炭素を連続的に取り出すことができるような二酸化炭素の電気化学的分離法を提供しようとするものである。
【０００７】
【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、溶融炭酸塩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機を用い、上記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、該アノード側で電気化学反応を行わせることにより、炭酸イオンから二酸化炭素と酸素とを濃縮分離させてアノード出口ガスとして排出させ、しかる後、該アノード出口ガス中から二酸化炭素を分離して、残った酸素ガスを上記カソードの入口に供給するようにさせる二酸化炭素の電気化学的分離法とする。
【０００８】
又、アノード出口ガス中の二酸化炭素を分離させるために、圧縮液化分離機を用いるようにする。
【０００９】
炭酸ガスの吸収、移動が電気化学的に行われるため、原料ガス中の不純物が含まれることなく二酸化炭素を濃縮することができ、分離した二酸化炭素は高純度で付加価値の高いものとすることができる。又、二酸化炭素を分離した後の酸素のみが気体としてカソードの入口にリサイクルされることから、原料ガス中の酸素濃度が確保されて酸欠がなくなり、過電圧を低減することができる。
【００１０】
【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。
【００１１】
図１は本発明の二酸化炭素の電気化学的分離法の実施に用いる装置の一例を示す概念図であり、電解質として溶融炭酸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電気化学的セルを濃縮機４として構成し、且つ該濃縮機４の上記カソード２とアノード３との間に、電源５を接続して、カソード２とアノード３との間に電位差が与えられるようにする。
【００１２】
又、上記アノード３の出口ライン６に二酸化炭素分離機としての圧縮液化分離機７を設置し、該圧縮液化分離機７に接続した酸素取出ライン８を、原料ガス供給ラインとしてのカソード２の入口ライン９に接続して、酸素リサイクル系を形成する。
【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。炭酸塩としては、リチウム、ナトリウム、カリウムなどからなるアルカリ金属の中から選ばれた炭酸塩や、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又は複数を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、濃縮機４のホルダーとしては、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４の如きステンレス材、及び鉄にニッケル、クロム、チタン、モリブデン、ニオブの如き物質が添加された材料を単独又は複合して使用する。
【００１６】
濃縮機４のカソード２とアノード３の間に電源５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（約１０％）のＣＯ2 ガスと低濃度（約３％）のＯ2 ガスを含む工業排ガスを、カソード入口ライン９を通してカソード２に供給すると、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 とＯ2 が生成され、アノード出口ガスとしてアノード出口ライン６に排出される。なお、上記炭酸イオンＣＯ3 2-から分離されたＣＯ2 とＯ2 は各々６６％，３４％に濃縮生成されることが実験により確認されている。
【００１８】
しかる後、上記アノード出口ガスは圧縮液化分離機７に導かれ、ここで、圧縮液化分離機７の圧力を上げてＣＯ2 のみを液化させ、残ったＯ2 を気体のまま酸素取出ライン８を通してカソード入口ライン９内に供給し、リサイクルさせるようにする。
【００１９】
上記において、ＣＯ2 ガスは、吸収、移動が電気化学的に行われて選択的に反応するため、原料ガス中の硫化物、塩化物、ＮＯｘ等の不純物を含むことなく濃縮されることにより、高純度で付加価値の高いものとして回収することができる。又、ＣＯ2 を分離した後のＯ2 ガスがカソード２の入口にリサイクル供給されることから、原料ガスとしては酸素濃度を確保することができて酸欠をなくすことができ、これにより、反応のための過電圧を小さなものとすることができる。すなわち、Ｏ2 濃度が低いとカソード２側での反応のために大きなエネルギーが必要となって過電圧が大きくなるが、リサイクルにより原料ガス中のＯ2 濃度を高くすることができるので、反応のために大きなエネルギーが必要なくなり、過電圧を小さくすることができる。したがって、排ガスから純粋な二酸化炭素を連続的に取り出すことができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明の二酸化炭素の電気化学的分離法によれば、溶融炭酸塩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機を用い、上記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、該アノード側で電気化学反応を行わせることにより、炭酸イオンから高濃度の二酸化炭素と酸素とを分離生成させてアノード出口ガスとして排出させ、しかる後、該アノード出口ガス中から二酸化炭素を分離して、残った酸素ガスを上記カソードの入口に供給するようにし、又、上記アノード出口ガス中の二酸化炭素を分離させるために、圧縮液化分離機を用いるようにすることにより、ＣＯ2 ガスを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して濃縮分離することができるので、新たな工業原料とすることができると共に、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、又、ＣＯ2 分離後のＯ2 をカソードの入口にリサイクルすることによって、原料ガス中の酸素濃度を確保することができるので、過電圧を低減することができ、これにより、排ガスから純粋な二酸化炭素を連続的に取り出すことができる、という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の電気化学的分離法の実施に用いる装置の一例を示す概略系統図である。
【符号の説明】
１  電解質板
２  カソード
３  アノード
４  濃縮機
７  圧縮液化分離機
【図１】
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