水酸化マグネシウムリサイクル方法及び水酸化マグネシウムリサイクル装置
【課題】水酸化マグネシウムを炭酸マグネシウムＭｇＣＯ3 としてリサイクルすることができ、しかも深海貯留、地中貯留に比べて簡易且つ安定的にＣＯ2 をＭｇＣＯ3 として固定化することができる水酸化マグネシウムリサイクル方法を提供する。
【解決手段】水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから、加水分解で生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル方法に、回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解工程と、熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成工程とを備える。
【解決手段】水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから、加水分解で生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル方法に、回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解工程と、熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成工程とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから、加水分解で生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル方法及び水酸化マグネシウムリサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止対策として、温室効果ガス、特に二酸化炭素（以下、ＣＯ2 という）の排出量を削減する種々の技術が研究開発されている。例えば、ＣＯ2 発生抑制技術、ＣＯ2 回収・貯蔵技術、ＣＯ2 吸収源拡大技術等が研究開発されている。
【０００３】
ＣＯ2 発生抑制技術としては、燃料電池、バイオマス（Biomass）等が注目されている。
燃料電池は、無尽蔵に存在するバイオマスの二次エネルギーである水素をエネルギー源としており、化石燃料を燃やすことで発生する温室効果ガス、環境汚染物質等を放出しないため、地球温暖化、環境汚染、化石燃料の枯渇といった問題を解決する手段として期待されている。燃料電池のエネルギー源である水素の貯蔵方法としては、水素を例えば３５０気圧の高圧でボンベ内に貯蔵する高圧ボンベ方式、水素を−２５３℃以下の極低温で液化して貯蔵する液体水素方式、水素化マグネシウム（以下、ＭｇＨ2 という）のような水素吸蔵合金に水素を吸蔵する吸蔵合金方式等が挙げられるが、特に、吸蔵合金方式は、超高圧、極低温といった特殊状態で水素を貯蔵する必要がないため、取り扱いが容易で安全性が高く、しかも単位体積当たりの水素貯蔵量が高いという優れた特徴を有している（例えば、特許文献１）。
バイオマスは、化石資源を除いた生物資源、例えば木材、紙、農業残渣、屎尿、食品廃棄物等の有機物である。バイオマスから得られるエネルギーは、いわゆる再生可能エネルギーの一つであり、バイオマスエネルギーと呼ばれている。再生可能エネルギーとは、地球規模で見て、生物によるＣＯ2 の吸収量と、その生物に由来するバイオマスを燃焼させた場合に発生するＣＯ2 の排出量とが同量で相殺するため、エネルギーを利用しても現在の大気中ＣＯ2 濃度が増加しないものをいう。
【０００４】
ＣＯ2 回収・貯蔵技術としては、火力発電所、製鉄所等のＣＯ2 発生源からＣＯ2 を回収し、回収したＣＯ2 を深海に貯留する深海貯留技術、ＣＯ2 を地中に貯留する地中貯留技術等が挙げられる。
深海貯留は、ＣＯ2 を液化し、液化したＣＯ2 をタンカーによって貯留海域へ輸送し、輸送したＣＯ2 を深海へ送出することによってＣＯ2 を液体のまま貯留する技術である。ＣＯ2 は、常温、約５ＭＰａで液化し、約２７ＭＰａ以上では海水よりも高密度になるため、自重によって深海底に沈降し、深海に貯留される（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００８−４４８３２号公報
【特許文献２】特許２８９６３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池のエネルギー源である水素をＭｇＨ2 の加水分解によって発生させた場合、残留物として水酸化マグネシウム（以下、Ｍｇ（ＯＨ）2 という）が生成するところ、地球温暖化防止対策の観点から有効なＭｇ（ＯＨ）2 のリサイクル方法は未だ提案されていない。
【０００６】
一方、深海貯留及び地中貯留においては、貯留したＣＯ2 の一部が大気中に漏れ出る虞があり、また高コストであるという問題があった。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ＭｇＨ2 の加水分解によって生成した水酸化マグネシウムと、ＣＯ2 発生源から回収したＣＯ2 とを用いて、水酸化マグネシウムを炭酸マグネシウム（以下、ＭｇＣＯ3 という）としてリサイクルすることができ、しかも深海貯留、地中貯留に比べて簡易且つ安定的にＣＯ2 をＭｇＣＯ3 として固定化することができる水酸化マグネシウムリサイクル方法及び水酸化マグネシウムリサイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル方法は、水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから、加水分解で生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル方法であって、回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解工程と、熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
第２発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル方法は、前記炭酸マグネシウム生成工程は、化石燃料を燃焼させる設備から回収した二酸化炭素を前記酸化マグネシウムに接触させるようにしてあることを特徴とする。
【００１０】
第３発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル装置は、水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル装置であって、回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解手段と、熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
第４発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル装置は、前記熱分解手段は、筒状をなし、一端側に水酸化マグネシウムが投入される投入口を有し、他端側に酸化マグネシウムを排出する排出口を有する回転円筒体と、該回転円筒体を加熱する燃焼炉、前記回転円筒体の径方向外側に配されており、該回転円筒体を加熱する加熱風が通流する加熱風流路、又は前記水酸化マグネシウムを加熱する加熱風を、前記排出口側から前記投入口側へ送る加熱送風器とを備えたロータリーキルン方式の熱分解装置であり、前記炭酸マグネシウム生成手段は、酸化マグネシウム及び二酸化炭素を反応させる反応室を備え、該反応室は、前記熱分解手段にて熱分解された酸化マグネシウムが投入される投入口と、該投入口よりも下方に設けられており、二酸化炭素が供給される二酸化炭素供給口と、該二酸化炭素供給口よりも更に下方に設けられており、生成された炭酸マグネシウムを排出する排出口とを有することを特徴とする。
【００１２】
第１乃至第４発明にあっては、燃料電池システムにおける加水分解によって生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、酸化マグネシウム及び水に熱分解する。水酸化マグネシウムを熱分解する熱分解手段としては、例えばロータリーキルン方式の熱分解装置が挙げられる。ロータリーキルン方式の熱分解装置は回転円筒体を備え、回転円筒体は燃焼炉、加熱風流路又は加熱送風器によって加熱される。回転円筒端の一端側から投入された水酸化マグネシウムは、回転円筒体内で加熱されて熱分解する。また、水平面に対して、回転円筒体の他端側が下り傾斜しているため、熱分解された酸化マグネシウムは回転円筒体の回転によって他端側に搬送される。水酸化マグネシウムの熱分解によって生成した水は水蒸気として排出される。
次いで、熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する。特に、化石燃料を燃焼させる設備から回収した二酸化炭素を接触させることによって、地中貯留又は深海貯留に比べて簡易且つ安定的に二酸化炭素を固定化することが可能になる。炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成手段は、具体的には反応室を備えており、反応室には投入口、二酸化炭素供給口及び排出口が上方から下方に順に設けられている。反応室の投入口に投入された酸化マグネシウムは下方へ移動し、二酸化炭素供給口に供給された二酸化炭素は上方へ移動するため、二酸化炭素が酸化マグネシウムに接触し、炭酸マグネシウムが生成する。生成された炭酸マグネシウムは、更に下方へ移動し、排出口から排出される。
【発明の効果】
【００１３】
第１乃至第４発明によれば、水酸化マグネシウムを炭酸マグネシウムとしてリサイクルすることができ、しかも深海貯留、地中貯留に比べて簡易且つ安定的に二酸化炭素を炭酸マグネシウムとして固定化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明の実施の形態に係るリサイクルシステムを示す概念図である。本発明に係るリサイクルシステムは、Ｈ2 を吸蔵したＭｇＨ2 を製造する水素化マグネシウム製造設備（以下、ＭｇＨ2 製造設備という）２と、ＭｇＨ2 の加水分解によって水素を発生させて発電を行う燃料電池システム３と、化石燃料の燃焼によってＣＯ2 を発生する火力発電所、製鉄所等のＣＯ2 発生源５と、本発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル装置（以下、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置という）１とを備える。本発明に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル方法は、発電によって燃料電池システム３に残留したＭｇ（ＯＨ）2 と、ＣＯ2 発生源５から回収したＣＯ2 とを用いて、Ｍｇ（ＯＨ）2 をＭｇＣＯ3 としてリサイクルすると共に、化石燃料の燃焼によって発生したＣＯ2 を簡易且つ安定的に固定するものである。
【００１５】
以下、物流に沿って、ＭｇＨ2 の製造設備２及び燃料電池システム３の構成を先に説明し、次いで本発明に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル方法及びＭｇＨ2 リサイクル装置１を説明する。
【００１６】
図２は、ＭｇＨ2 製造設備２の構成を模式的に示すブロック図である。ＭｇＨ2 製造設備２は、パイロコーキング装置２１と、水素ガス化装置２２と、ＭｇＨ2 製造装置２３とを備え、木質資源が豊富な山間地等に建設される。ＭｇＨ2 製造設備２は、再生可能なバイオマス、水等、最小限の原料で水素ガス及びエネルギーを作り出し、ＭｇＨ2 を製造することを可能にする。
【００１７】
パイロコーキング装置２１は、バイオマスを、可燃性のタール含有ガス及びチャーに熱分解する熱分解炉２１ａと、タール含有ガス中のタールを多孔質無機物、例えば、多孔質アルミナに担持させることによってタールを除去すると共に、炭素担持体を生成するタール担持処理部２１ｂと、タールが除去された可燃性ガスを燃焼させる燃焼炉２１ｃとを備える。
【００１８】
熱分解炉２１ａは、中空円筒状の分解反応管を有し、分解反応管は、該分解反応管を５００〜６００℃に加熱する加熱装置、例えば電気炉、外部熱風加熱槽方式炉等の内部に略水平の姿勢で設置されている。分解反応管の一端部には管内にバイオマスを供給するホッパが結合されており、分解反応管の内部には搬送スクリューが設けられている。分解反応管の他端部には、熱分解によって発生したタール含有ガスをタール担持処理部２１ｂへ導く配管と、残渣であるチャーを回収する回収器とが設けられている。
タール担持処理部２１ｂは、縦長円筒状の担持処理室を有し、担持処理室は、該担持処理室を５００〜７００℃に加熱する加熱装置、例えば電気炉、熱風によって担持処理室を加熱する外部加熱炉等の内部に配置されている。担持処理室の上部には、例えば、粒状の多孔質アルミナを担持処理室に供給するホッパがロータリーバルブを介して設けられている。担持処理室の下端側部には、熱分解炉２１ａに連通する配管が接続されており、バイオマスの熱分解によって発生したタール含有ガスが担持処理室へ流入し、多孔質アルミナの集積物中を通流するように構成されている。タール含有ガスが５００〜７００℃の温度下で多孔質アルミナに接触すると、タールが分解されて多孔質アルミナの表面に炭素質固体が付着してなる炭素担持体が生成する。担持処理室の上端側部には、多孔質アルミナの集積物中を通流して、タールが除去された可燃性ガスを燃焼炉２１ｃ及びＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１に供給するための配管が接続されている。更に、担持処理室の下端部には、ロータリーバルブを介して炭素担持体を回収する回収器が設けられている。
燃焼炉２１ｃは、タール担持処理部２１ｂから配管を通じて供給された可燃性ガスを燃焼させ、燃焼炉２１ｃで発生した熱及び燃焼ガス（コジェネ装置の場合は電力、又は熱）を熱分解炉２１ａ及びＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１に供給するように構成されている。
【００１９】
水素ガス化装置２２は、炭素担持体に７００℃以上の水蒸気を接触させることによって、Ｈ2 及び一酸化炭素の混合ガスを発生させるガス化反応器２２ａと、該混合ガスからＨ2 を分離する水素分離器２２ｂとを備える。
【００２０】
ガス化反応器２２ａには炭素担持体が供給されて集積し、図示しない水蒸気発生源５から７００℃以上の水蒸気が供給される。ガス化反応器２２ａに供給された水蒸気は、炭素担持体の集積物へ通流する。炭素担持体に高温の水蒸気が接触した場合、水蒸気と炭素との間で水性ガス化反応が起こり、水素ガス及び一酸化炭素が発生する。なお、水性ガス化反応によって、炭素担持体は多孔質アルミナに還元するため、該多孔質アルミナを回収して再利用することができる。
【００２１】
水素分離器２２ｂは、主に水素のみを透過させることにより、水素と一酸化炭素とを分離する水素分離膜、例えば、パラジウム又はパラジウム銀合金で形成された膜を備えており、ガス化反応器２２ａから供給された混合ガスからＨ2 を分離し、分離したＨ2 をＭｇＨ2 製造装置２３に供給する。
【００２２】
ＭｇＨ2 製造装置２３は、マグネシウムを主成分とする原料粉体及び高圧の水素ガスを封入できる封入容器２３ａを有し、該封入容器２３ａは加熱炉２３ｂ内に設置されている。封入容器２３ａには、水素ガス化装置２２から供給された水素が供給されるように構成されている。また、封入容器２３ａには、減圧器及びマイクロコントローラ等からなり、封入容器２３ａ内の水素ガス雰囲気の圧力を任意の圧力に制御することができる圧力制御部２３ｃが設けられている。
加熱炉２３ｂは、加熱炉２３ｂ内を加熱するためのヒータ、封入容器２３ａ内の温度を検出する温度センサ、及び封入容器２３ａ外の温度を検出する温度センサを備えている。ヒータ及び温度センサは、ヒータに加熱用の電流を供給する電源及びマイクロコントローラ等からなる温度制御部２３ｄに接続されている。
圧力制御部２３ｃ及び温度制御部２３ｄは、水素ガス雰囲気中の温度及び圧力をＭｇとＨ2 とが熱力学的に安定に共存する温度・圧力領域に維持する熱処理を行うことにより、Ｍｇ表面の被膜を除去させる。次に、水素ガス雰囲気中の温度及び圧力を変更してＭｇＨ2 が熱力学的に安定に存在する温度・圧力領域に維持する熱処理を行うことにより、被膜が除去されたＭｇが速やかにＨ2 と反応して高収率でＨ2 が製造される。
【００２３】
ＭｇＨ2 製造設備２で製造されたＭｇＨ2 は、中空円柱状のカートリッジ４内に封入され、市場に供給される。
【００２４】
次に、図１に示す燃料電池システム３の構成を説明する。
燃料電池システム３は、貯水部３１と、ＭｇＨ2 が封入されたカートリッジ４を装着するカートリッジ装着部３２と、燃料電池３３とを備える。
【００２５】
貯水部３１は、例えば円筒状をなし、ＭｇＨ2 の加水分解に必要な水を貯えている。貯水部３１の底部には給水管を介してカートリッジ装着部３２に接続されており、貯水部３１に蓄えられた水が給水管を通じてカートリッジ４内のＭｇＨ2 に供給されるように構成されている。水がカートリッジ４内に供給された場合、ＭｇＨ2 は加水分解し、Ｈ2 が発生する。加水分解反応は、下記化学反応式（１）によって表される。
ＭｇＨ2 ＋２Ｈ2 Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）2 ＋２Ｈ2 ・・・（１）
カートリッジ装着部３２は、カートリッジ４を着脱可能に装着する収容体を有する。収容体の下部には給水管が接続されており、貯水部３１から供給された水が収容体及びカートリッジ４内に浸透するように構成されている。また、収容体の上部には、ＭｇＨ2 の加水分解によって発生したＨ2 を燃料電池３３に供給するＨ2 供給管が接続されている。
燃料電池３３は、例えば低温で動作可能な固体高分子燃料電池（ＰＥＦＣ）である。燃料電池３３は、カートリッジ装着部３２の収容体から供給された水素と、図示しない空気供給部から供給された空気中の酸素とに基づいて電気エネルギーを取り出す複数の単セルを備えている。単セルの積層方向両端には、各単セルで発電した電力を集電する矩形平板状の正極集電部及び負極集電部が設けられており、所定の駆動装置、例えば電気自動車のモータ、光源、ファン等に接続されている。
このように構成された燃料電池システム３においては、ＭｇＨ2 が全て反応し終えると、カートリッジ４内には残留物としてＭｇ（ＯＨ）2 が残る。
【００２６】
図３は、水酸化マグネシウムリサイクル方法を概念的に示す説明図である。まず、燃料電池システム３から使用済みのカートリッジ４に残留したＭｇ（ＯＨ）2 を回収する。そして、回収したＭｇ（ＯＨ）2 を、１気圧の空気中において、６００℃以上で２時間以上加熱することによって、Ｍｇ（ＯＨ）2 を酸化マグネシウム（以下、ＭｇＯという）と、Ｈ2 Ｏとに熱分解する。熱分解の化学反応は、下記化学反応式（２）で表される。
Ｍｇ（ＯＨ）2 →ＭｇＯ＋Ｈ2 Ｏ・・・（２）
【００２７】
なお、上記化学反応式（２）におけるギブスの自由エネルギー変化量ΔＧは、２７．２ｋＪ、エンタルピー変化量ΔＨは、３７．２ｋＪであり、吸熱反応である。
【００２８】
次いで、熱分解されたＭｇＯに、ＣＯ2 発生源５から回収したＣＯ2 を常温、１気圧の下で接触させることによって、ＭｇＣＯ3 マグネシウムを生成する。ＭｇＣＯ3 の生成に係る化学反応は、下記化学反応式（３）で表される。
ＭｇＯ＋ＣＯ2 →ＭｇＣＯ3 ・・・（３）
【００２９】
なお、上記化学反応式（３）におけるギブスの自由エネルギー変化量ΔＧは、−４８．５ｋＪ、エンタルピー変化量ΔＨは、−１００．９ｋＪであり、発熱反応である。従って、常温下でＭｇＯに二酸化炭素を接触させるのみで、ＭｇＣＯ3 を生成することができる。この反応熱は化学反応式（２）の反応に利用する事が可能である。
【００３０】
このようにＭｇ（ＯＨ）2 を熱分解し、熱分解して得られたＭｇＯにＣＯ2 を接触させることによって、Ｍｇ（ＯＨ）2 をＭｇＣＯ3 としてリサイクルすることが可能になる。
また、化石燃料の燃焼によって発生したＣＯ2 をＭｇＣＯ3 として安定的に固定することが可能になる。
【００３１】
図４は、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１の構成例を模式的に示す断面図である。Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１は、ロータリーキルン方式の熱分解装置１１、コンベア１２、及び炭酸マグネシウム生成機１３を備え、ＭｇＨ2 製造装置２３に並設されている。
【００３２】
熱分解装置１１は、中空の回転円筒体１１ａを備える。回転円筒体１１ａはその中心軸が水平面に対して傾斜するような姿勢で、図示しない支持装置によって、回転自在に支持されている。回転円筒体１１ａの傾斜方向上流側の端部には、回転円筒体１１ａの内部にＭｇ（ＯＨ）2 が投入される投入口１１ｂが形成され、投入口１１ｂにはＭｇ（ＯＨ）2 供給用のホッパ１１ｅが設けられている。回転円筒体１１ａの傾斜方向下流側の端部には、Ｍｇ（ＯＨ）2 の熱分解によって生成されたＭｇＯが排出される排出口１１ｃが設けられている。また、回転円筒体１１ａの内周面には、Ｍｇ（ＯＨ）2 を攪拌するための図示しない攪拌板が突設されている。
【００３３】
回転円筒体１１ａの径方向外側には、回転円筒体１１ａの外形よりも内径が大きく、且つ中心軸方向の長さが回転円筒体１１ａよりも短い円筒状加熱風流路１１ｄが回転円筒体１１ａと同軸的に配設されている。円筒状加熱風流路１１ｄは、内部が中空であり、円筒状加熱風流路１１ｄの傾斜方向下流側の端面には、所定間隔を隔てて複数の燃焼ガス供給部１１ｆが周設されている。燃焼ガス供給部１１ｆには、例えば、パイロコーキング装置２１から送出された熱及び燃焼ガスが供給されるように構成されている。また、円筒状加熱風流路１１ｄの傾斜方向上流側には排気筒１１ｇが設けられている。
燃焼ガス供給部１１ｆを通じて、パイロコーキング装置２１から円筒状加熱風流路１１ｄへ燃焼ガスが供給された場合、燃焼ガスは加熱風として円筒状加熱風流路１１ｄを下流側から上流側へ通流し、回転円筒体１１ａを外周側から加熱する。
【００３４】
また、回転円筒体１１ａは、図示しない駆動機構によって、中心軸を中心として所定速度で回転するように構成されている。例えば、駆動機構は、回転円筒体１１ａの外周面に形成された平歯車と、該平歯車に噛合する小歯車と、該小歯車を回転させるモータとから構成されている。なお、モータの回転速度は、投入口１１ｂから投入されたＭｇ（ＯＨ）2 が熱分解されて排出口１１ｃから排出されるまでの時間が約２時間になるように設定すれば良い。
【００３５】
コンベア１２は、熱分解装置１１の回転円筒体１１ａの排出口１１ｃから排出されたＭｇＯを炭酸マグネシウム生成機１３へ搬送するベルトコンベアである。
【００３６】
炭酸マグネシウム生成機１３は、ＭｇＯ及びＣＯ2 を反応させてＭｇＣＯ3 を生成するための反応室１３ａと、生成したＭｇＣＯ3 を反応室１３ａから排出するロータリーバルブ１３ｅと、反応室１３ａから排出されたＭｇＣＯ3 を回収する回収容器１３ｆとを備える。
【００３７】
反応室１３ａは、縦長円筒状をなしており、上端部には、ＭｇＯが投入される投入口１３ｂが形成されている。また、反応室１３ａの下端部は、テーパ状に縮径しており、反応室１３ａで生成したＭｇＣＯ3 を排出するための排出口１３ｄが形成されている。更に、反応室１３ａの投入口１３ｂと、排出口１３ｄとの間には、ＣＯ2 を反応室１３ａ内に拡散させて供給する二酸化炭素供給部１３ｃが設けられている。二酸化炭素供給部１３ｃは、例えば、反応室１３ａよりも小径の中空円板状又は中空の環状をなし、上面側に、ＣＯ2 を反応室１３ａの上方へ噴射する噴射口が複数形成されたノズル部を備えている。ノズル部は、反応室１３ａ内に固着されており、ノズル部には反応室１３ａの外部からノズル部にＣＯ2 を供給する配管が接続されている。該配管には、ＣＯ2 を供給する二酸化炭素供給源、例えば二酸化炭素ボンベ６が接続される。二酸化炭素ボンベ６は、ＣＯ2 発生源５から回収したものである。
【００３８】
ロータリーバルブ１３ｅは、ロータ、該ロータを収容する収容体、及び該ロータを回転させるモータを備える。ロータは、収容体に軸受を介して回転自在に支持された円柱状の軸部と、該軸部の周面から径方向外側に突出した複数の羽板とを備え、構成されている。ロータリーバルブ１３ｅのロータが回転した場合、反応室１３ａの下端部に堆積しているＭｇＣＯ3 が下方へ掻き出される。
【００３９】
回収容器１３ｆは、ロータリーバルブ１３ｅの下方に配されており、ロータリーバルブ１３ｅにて排出されたＭｇＣＯ3 を回収する。
【００４０】
図５は、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１を用いた水酸化マグネシウムのリサイクル工程を示す工程図である。
【００４１】
まず、燃料電池システム３から使用済みのカートリッジ４に残留したＭｇ（ＯＨ）2 を回収する（ステップＳ１１）。具体的には、燃料電池システム３のカートリッジ装着部３２から取り外されたカートリッジ４を回収して、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１へ運搬する。そして、カートリッジ４からＭｇ（ＯＨ）2 を取り出して、回収する。
【００４２】
次いで、ＣＯ2 発生源５で分離、回収されたＣＯ2 を回収する（ステップＳ１２）。具体的には、ＣＯ2 を封入した二酸化炭素ボンベ６をＣＯ2 発生源５からＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１へ運搬して回収する。なお、二酸化炭素の分離は、膜分離法によって行われている。
【００４３】
そして、ステップＳ１１で回収したＭｇ（ＯＨ）2 を投入口１１ｂに投入し、熱分解装置１１を操業することによって、Ｍｇ（ＯＨ）2 をＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する（ステップＳ１３）。具体的には、熱分解装置１１の回転円筒体１１ａが所定の速度で回転することによって、投入口１１ｂから投入されたＭｇ（ＯＨ）2 は、投入口１１ｂから排出口１１ｃへ攪拌されながら移動する。また、円筒状加熱風流路１１ｄ内を下流側から上流側へ加熱風としての燃焼ガスが通流することによって、回転円筒体１１ａは外側から加熱されるため、Ｍｇ（ＯＨ）2 は、投入口１１ｂから排出口１１ｃへ移動する間に加熱され、ＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する。Ｈ2 Ｏは、水蒸気として排出口１１ｃから排出される。排出口１１ｃから排出されたＭｇＯは、コンベア１２によって炭酸マグネシウム生成機１３へ搬送され、投入口１３ｂに投入される。
【００４４】
次いで、二酸化炭素供給部１３ｃから反応室１３ａ内にＣＯ2 を供給し、ロータリーバルブ１３ｅを回転させることによって、投入口１３ｂから投入されたＭｇＯにＣＯ2 を接触させ、ＭｇＣＯ3 を生成し（ステップＳ１４）、処理を終える。ロータリーバルブ１３ｅが回転した場合、投入口１３ｂから投入されたＭｇＯは反応室１３ａの上方から下方へ移動し、移動している間に、ＭｇＯは、二酸化炭素供給部１３ｃから供給されたＣＯ2 と接触し、ＭｇＣＯ3 が生成される。ステップＳ１４における化学反応は発熱反応であるため、該化学反応で発生した熱を回収し、回収した熱をステップＳ１３の工程、即ちＭｇ（ＯＨ）2 をＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する工程に導入することも可能である。言い換えると、第３発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル装置に、炭酸マグネシウム生成手段にて炭酸マグネシウムを生成させた場合に発生する熱を回収する熱回収手段を備え、熱分解手段が、前記熱回収手段にて回収した熱を用いて、水酸化マグネシウムを加熱するように構成しても良い。
【００４５】
実施の形態に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル方法、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１にあっては、Ｍｇ（ＯＨ）2 をＭｇＣＯ3 としてリサイクルすることができ、しかも深海貯留、地中貯留に比べて簡易且つ安定的にＣＯ2 をＭｇＣＯ3 として固定化することができる。
ＭｇＣＯ3は、例えば緩剤のような医薬品、滑り抑止剤、その他の工業原料等に使用される。
【００４６】
（変形例１）
なお、実施の形態においては、パイロコーキング装置から供給された燃焼ガスを、燃焼ガス供給部を通じて円筒状加熱風流路に供給するように構成してあるが、パイロコーキング装置で発生した可燃性ガスを熱分解装置側で燃焼させて、回転円筒体を加熱するように構成しても良い。
具体的には、燃焼ガス供給部に代えて、パイロコーキング装置から供給された可燃性ガスを燃焼させるバーナーを備え、円筒状加熱風流路に代えて円筒状燃焼室（燃焼炉）を備えると良い。より具体的には、回転円筒体の径方向外側に、回転円筒体の外形よりも内径が大きく、且つ中心軸方向の長さが回転円筒体よりも短い円筒状燃焼室を回転円筒体と同軸的に配設する。円筒状燃焼室は、内部が中空であり、円筒状燃焼室の傾斜方向下流側の端面には、所定間隔を隔てて複数のバーナーが周設されている。また、円筒状燃焼室の傾斜方向上流側には排気筒が設けられている。
変形例１にあっては、ステップＳ１３の工程でバーナーがパイロコーキング装置から供給された可燃性ガスを燃焼させることによって、回転円筒体は外側から加熱されるため、Ｍｇ（ＯＨ）2 は、投入口から排出口へ移動する間に加熱され、ＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する。以下、同様の工程を経て、ＭｇＣＯ3が生成される。
【００４７】
（変形例２）
図６は、変形例２に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１の構成例を模式的に示す断面図である。変形例２に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１は、円筒状加熱風流路１１ｄ、排気筒１１ｇ、及び燃焼ガス供給部１１ｆに代えて、Ｍｇ（ＯＨ）2を加熱する加熱風としての燃焼ガスを、排出口１１ｃ側から投入口１１ｂ側へ送る加熱送風器１１ｈを備えている。変形例２にあっては、ステップＳ１３の工程で回転円筒体１１ａへ直接、加熱風を下流側から上流側へ送風することによって、回転円筒体１１ａは内側から加熱されるため、Ｍｇ（ＯＨ）2 は、投入口１１ｂから排出口１１ｃへ移動する間に加熱され、ＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する。以下、同様の工程を経て、ＭｇＣＯ3が生成される。
【００４８】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態に係るリサイクルシステムを示す概念図である。
【図２】ＭｇＨ2 製造設備の構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】水酸化マグネシウムリサイクル方法を概念的に示す説明図である。
【図４】Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置の構成例を模式的に示す断面図である。
【図５】Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置を用いた水酸化マグネシウムのリサイクル工程を示す工程図である。
【図６】変形例２に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置の構成例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置
２ ＭｇＨ2 製造設備
３ 燃料電池システム
４ カートリッジ
５ ＣＯ2 発生源
６ 二酸化炭素ボンベ
１１ 熱分解装置
１１ａ 回転円筒体
１１ｂ 投入口
１１ｃ 排出口
１１ｄ 円筒状加熱風流路
１１ｈ 加熱送風器
１２ コンベア
１３ 炭酸マグネシウム生成機
１３ａ 反応室
１３ｂ 投入口
１３ｃ 二酸化炭素供給部
１３ｄ 排出口
１３ｆ 回収容器
３３ 燃料電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから、加水分解で生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル方法及び水酸化マグネシウムリサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止対策として、温室効果ガス、特に二酸化炭素（以下、ＣＯ2 という）の排出量を削減する種々の技術が研究開発されている。例えば、ＣＯ2 発生抑制技術、ＣＯ2 回収・貯蔵技術、ＣＯ2 吸収源拡大技術等が研究開発されている。
【０００３】
ＣＯ2 発生抑制技術としては、燃料電池、バイオマス（Biomass）等が注目されている。
燃料電池は、無尽蔵に存在するバイオマスの二次エネルギーである水素をエネルギー源としており、化石燃料を燃やすことで発生する温室効果ガス、環境汚染物質等を放出しないため、地球温暖化、環境汚染、化石燃料の枯渇といった問題を解決する手段として期待されている。燃料電池のエネルギー源である水素の貯蔵方法としては、水素を例えば３５０気圧の高圧でボンベ内に貯蔵する高圧ボンベ方式、水素を−２５３℃以下の極低温で液化して貯蔵する液体水素方式、水素化マグネシウム（以下、ＭｇＨ2 という）のような水素吸蔵合金に水素を吸蔵する吸蔵合金方式等が挙げられるが、特に、吸蔵合金方式は、超高圧、極低温といった特殊状態で水素を貯蔵する必要がないため、取り扱いが容易で安全性が高く、しかも単位体積当たりの水素貯蔵量が高いという優れた特徴を有している（例えば、特許文献１）。
バイオマスは、化石資源を除いた生物資源、例えば木材、紙、農業残渣、屎尿、食品廃棄物等の有機物である。バイオマスから得られるエネルギーは、いわゆる再生可能エネルギーの一つであり、バイオマスエネルギーと呼ばれている。再生可能エネルギーとは、地球規模で見て、生物によるＣＯ2 の吸収量と、その生物に由来するバイオマスを燃焼させた場合に発生するＣＯ2 の排出量とが同量で相殺するため、エネルギーを利用しても現在の大気中ＣＯ2 濃度が増加しないものをいう。
【０００４】
ＣＯ2 回収・貯蔵技術としては、火力発電所、製鉄所等のＣＯ2 発生源からＣＯ2 を回収し、回収したＣＯ2 を深海に貯留する深海貯留技術、ＣＯ2 を地中に貯留する地中貯留技術等が挙げられる。
深海貯留は、ＣＯ2 を液化し、液化したＣＯ2 をタンカーによって貯留海域へ輸送し、輸送したＣＯ2 を深海へ送出することによってＣＯ2 を液体のまま貯留する技術である。ＣＯ2 は、常温、約５ＭＰａで液化し、約２７ＭＰａ以上では海水よりも高密度になるため、自重によって深海底に沈降し、深海に貯留される（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００８−４４８３２号公報
【特許文献２】特許２８９６３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池のエネルギー源である水素をＭｇＨ2 の加水分解によって発生させた場合、残留物として水酸化マグネシウム（以下、Ｍｇ（ＯＨ）2 という）が生成するところ、地球温暖化防止対策の観点から有効なＭｇ（ＯＨ）2 のリサイクル方法は未だ提案されていない。
【０００６】
一方、深海貯留及び地中貯留においては、貯留したＣＯ2 の一部が大気中に漏れ出る虞があり、また高コストであるという問題があった。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ＭｇＨ2 の加水分解によって生成した水酸化マグネシウムと、ＣＯ2 発生源から回収したＣＯ2 とを用いて、水酸化マグネシウムを炭酸マグネシウム（以下、ＭｇＣＯ3 という）としてリサイクルすることができ、しかも深海貯留、地中貯留に比べて簡易且つ安定的にＣＯ2 をＭｇＣＯ3 として固定化することができる水酸化マグネシウムリサイクル方法及び水酸化マグネシウムリサイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル方法は、水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから、加水分解で生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル方法であって、回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解工程と、熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
第２発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル方法は、前記炭酸マグネシウム生成工程は、化石燃料を燃焼させる設備から回収した二酸化炭素を前記酸化マグネシウムに接触させるようにしてあることを特徴とする。
【００１０】
第３発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル装置は、水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル装置であって、回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解手段と、熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
第４発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル装置は、前記熱分解手段は、筒状をなし、一端側に水酸化マグネシウムが投入される投入口を有し、他端側に酸化マグネシウムを排出する排出口を有する回転円筒体と、該回転円筒体を加熱する燃焼炉、前記回転円筒体の径方向外側に配されており、該回転円筒体を加熱する加熱風が通流する加熱風流路、又は前記水酸化マグネシウムを加熱する加熱風を、前記排出口側から前記投入口側へ送る加熱送風器とを備えたロータリーキルン方式の熱分解装置であり、前記炭酸マグネシウム生成手段は、酸化マグネシウム及び二酸化炭素を反応させる反応室を備え、該反応室は、前記熱分解手段にて熱分解された酸化マグネシウムが投入される投入口と、該投入口よりも下方に設けられており、二酸化炭素が供給される二酸化炭素供給口と、該二酸化炭素供給口よりも更に下方に設けられており、生成された炭酸マグネシウムを排出する排出口とを有することを特徴とする。
【００１２】
第１乃至第４発明にあっては、燃料電池システムにおける加水分解によって生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、酸化マグネシウム及び水に熱分解する。水酸化マグネシウムを熱分解する熱分解手段としては、例えばロータリーキルン方式の熱分解装置が挙げられる。ロータリーキルン方式の熱分解装置は回転円筒体を備え、回転円筒体は燃焼炉、加熱風流路又は加熱送風器によって加熱される。回転円筒端の一端側から投入された水酸化マグネシウムは、回転円筒体内で加熱されて熱分解する。また、水平面に対して、回転円筒体の他端側が下り傾斜しているため、熱分解された酸化マグネシウムは回転円筒体の回転によって他端側に搬送される。水酸化マグネシウムの熱分解によって生成した水は水蒸気として排出される。
次いで、熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する。特に、化石燃料を燃焼させる設備から回収した二酸化炭素を接触させることによって、地中貯留又は深海貯留に比べて簡易且つ安定的に二酸化炭素を固定化することが可能になる。炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成手段は、具体的には反応室を備えており、反応室には投入口、二酸化炭素供給口及び排出口が上方から下方に順に設けられている。反応室の投入口に投入された酸化マグネシウムは下方へ移動し、二酸化炭素供給口に供給された二酸化炭素は上方へ移動するため、二酸化炭素が酸化マグネシウムに接触し、炭酸マグネシウムが生成する。生成された炭酸マグネシウムは、更に下方へ移動し、排出口から排出される。
【発明の効果】
【００１３】
第１乃至第４発明によれば、水酸化マグネシウムを炭酸マグネシウムとしてリサイクルすることができ、しかも深海貯留、地中貯留に比べて簡易且つ安定的に二酸化炭素を炭酸マグネシウムとして固定化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明の実施の形態に係るリサイクルシステムを示す概念図である。本発明に係るリサイクルシステムは、Ｈ2 を吸蔵したＭｇＨ2 を製造する水素化マグネシウム製造設備（以下、ＭｇＨ2 製造設備という）２と、ＭｇＨ2 の加水分解によって水素を発生させて発電を行う燃料電池システム３と、化石燃料の燃焼によってＣＯ2 を発生する火力発電所、製鉄所等のＣＯ2 発生源５と、本発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル装置（以下、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置という）１とを備える。本発明に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル方法は、発電によって燃料電池システム３に残留したＭｇ（ＯＨ）2 と、ＣＯ2 発生源５から回収したＣＯ2 とを用いて、Ｍｇ（ＯＨ）2 をＭｇＣＯ3 としてリサイクルすると共に、化石燃料の燃焼によって発生したＣＯ2 を簡易且つ安定的に固定するものである。
【００１５】
以下、物流に沿って、ＭｇＨ2 の製造設備２及び燃料電池システム３の構成を先に説明し、次いで本発明に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル方法及びＭｇＨ2 リサイクル装置１を説明する。
【００１６】
図２は、ＭｇＨ2 製造設備２の構成を模式的に示すブロック図である。ＭｇＨ2 製造設備２は、パイロコーキング装置２１と、水素ガス化装置２２と、ＭｇＨ2 製造装置２３とを備え、木質資源が豊富な山間地等に建設される。ＭｇＨ2 製造設備２は、再生可能なバイオマス、水等、最小限の原料で水素ガス及びエネルギーを作り出し、ＭｇＨ2 を製造することを可能にする。
【００１７】
パイロコーキング装置２１は、バイオマスを、可燃性のタール含有ガス及びチャーに熱分解する熱分解炉２１ａと、タール含有ガス中のタールを多孔質無機物、例えば、多孔質アルミナに担持させることによってタールを除去すると共に、炭素担持体を生成するタール担持処理部２１ｂと、タールが除去された可燃性ガスを燃焼させる燃焼炉２１ｃとを備える。
【００１８】
熱分解炉２１ａは、中空円筒状の分解反応管を有し、分解反応管は、該分解反応管を５００〜６００℃に加熱する加熱装置、例えば電気炉、外部熱風加熱槽方式炉等の内部に略水平の姿勢で設置されている。分解反応管の一端部には管内にバイオマスを供給するホッパが結合されており、分解反応管の内部には搬送スクリューが設けられている。分解反応管の他端部には、熱分解によって発生したタール含有ガスをタール担持処理部２１ｂへ導く配管と、残渣であるチャーを回収する回収器とが設けられている。
タール担持処理部２１ｂは、縦長円筒状の担持処理室を有し、担持処理室は、該担持処理室を５００〜７００℃に加熱する加熱装置、例えば電気炉、熱風によって担持処理室を加熱する外部加熱炉等の内部に配置されている。担持処理室の上部には、例えば、粒状の多孔質アルミナを担持処理室に供給するホッパがロータリーバルブを介して設けられている。担持処理室の下端側部には、熱分解炉２１ａに連通する配管が接続されており、バイオマスの熱分解によって発生したタール含有ガスが担持処理室へ流入し、多孔質アルミナの集積物中を通流するように構成されている。タール含有ガスが５００〜７００℃の温度下で多孔質アルミナに接触すると、タールが分解されて多孔質アルミナの表面に炭素質固体が付着してなる炭素担持体が生成する。担持処理室の上端側部には、多孔質アルミナの集積物中を通流して、タールが除去された可燃性ガスを燃焼炉２１ｃ及びＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１に供給するための配管が接続されている。更に、担持処理室の下端部には、ロータリーバルブを介して炭素担持体を回収する回収器が設けられている。
燃焼炉２１ｃは、タール担持処理部２１ｂから配管を通じて供給された可燃性ガスを燃焼させ、燃焼炉２１ｃで発生した熱及び燃焼ガス（コジェネ装置の場合は電力、又は熱）を熱分解炉２１ａ及びＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１に供給するように構成されている。
【００１９】
水素ガス化装置２２は、炭素担持体に７００℃以上の水蒸気を接触させることによって、Ｈ2 及び一酸化炭素の混合ガスを発生させるガス化反応器２２ａと、該混合ガスからＨ2 を分離する水素分離器２２ｂとを備える。
【００２０】
ガス化反応器２２ａには炭素担持体が供給されて集積し、図示しない水蒸気発生源５から７００℃以上の水蒸気が供給される。ガス化反応器２２ａに供給された水蒸気は、炭素担持体の集積物へ通流する。炭素担持体に高温の水蒸気が接触した場合、水蒸気と炭素との間で水性ガス化反応が起こり、水素ガス及び一酸化炭素が発生する。なお、水性ガス化反応によって、炭素担持体は多孔質アルミナに還元するため、該多孔質アルミナを回収して再利用することができる。
【００２１】
水素分離器２２ｂは、主に水素のみを透過させることにより、水素と一酸化炭素とを分離する水素分離膜、例えば、パラジウム又はパラジウム銀合金で形成された膜を備えており、ガス化反応器２２ａから供給された混合ガスからＨ2 を分離し、分離したＨ2 をＭｇＨ2 製造装置２３に供給する。
【００２２】
ＭｇＨ2 製造装置２３は、マグネシウムを主成分とする原料粉体及び高圧の水素ガスを封入できる封入容器２３ａを有し、該封入容器２３ａは加熱炉２３ｂ内に設置されている。封入容器２３ａには、水素ガス化装置２２から供給された水素が供給されるように構成されている。また、封入容器２３ａには、減圧器及びマイクロコントローラ等からなり、封入容器２３ａ内の水素ガス雰囲気の圧力を任意の圧力に制御することができる圧力制御部２３ｃが設けられている。
加熱炉２３ｂは、加熱炉２３ｂ内を加熱するためのヒータ、封入容器２３ａ内の温度を検出する温度センサ、及び封入容器２３ａ外の温度を検出する温度センサを備えている。ヒータ及び温度センサは、ヒータに加熱用の電流を供給する電源及びマイクロコントローラ等からなる温度制御部２３ｄに接続されている。
圧力制御部２３ｃ及び温度制御部２３ｄは、水素ガス雰囲気中の温度及び圧力をＭｇとＨ2 とが熱力学的に安定に共存する温度・圧力領域に維持する熱処理を行うことにより、Ｍｇ表面の被膜を除去させる。次に、水素ガス雰囲気中の温度及び圧力を変更してＭｇＨ2 が熱力学的に安定に存在する温度・圧力領域に維持する熱処理を行うことにより、被膜が除去されたＭｇが速やかにＨ2 と反応して高収率でＨ2 が製造される。
【００２３】
ＭｇＨ2 製造設備２で製造されたＭｇＨ2 は、中空円柱状のカートリッジ４内に封入され、市場に供給される。
【００２４】
次に、図１に示す燃料電池システム３の構成を説明する。
燃料電池システム３は、貯水部３１と、ＭｇＨ2 が封入されたカートリッジ４を装着するカートリッジ装着部３２と、燃料電池３３とを備える。
【００２５】
貯水部３１は、例えば円筒状をなし、ＭｇＨ2 の加水分解に必要な水を貯えている。貯水部３１の底部には給水管を介してカートリッジ装着部３２に接続されており、貯水部３１に蓄えられた水が給水管を通じてカートリッジ４内のＭｇＨ2 に供給されるように構成されている。水がカートリッジ４内に供給された場合、ＭｇＨ2 は加水分解し、Ｈ2 が発生する。加水分解反応は、下記化学反応式（１）によって表される。
ＭｇＨ2 ＋２Ｈ2 Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）2 ＋２Ｈ2 ・・・（１）
カートリッジ装着部３２は、カートリッジ４を着脱可能に装着する収容体を有する。収容体の下部には給水管が接続されており、貯水部３１から供給された水が収容体及びカートリッジ４内に浸透するように構成されている。また、収容体の上部には、ＭｇＨ2 の加水分解によって発生したＨ2 を燃料電池３３に供給するＨ2 供給管が接続されている。
燃料電池３３は、例えば低温で動作可能な固体高分子燃料電池（ＰＥＦＣ）である。燃料電池３３は、カートリッジ装着部３２の収容体から供給された水素と、図示しない空気供給部から供給された空気中の酸素とに基づいて電気エネルギーを取り出す複数の単セルを備えている。単セルの積層方向両端には、各単セルで発電した電力を集電する矩形平板状の正極集電部及び負極集電部が設けられており、所定の駆動装置、例えば電気自動車のモータ、光源、ファン等に接続されている。
このように構成された燃料電池システム３においては、ＭｇＨ2 が全て反応し終えると、カートリッジ４内には残留物としてＭｇ（ＯＨ）2 が残る。
【００２６】
図３は、水酸化マグネシウムリサイクル方法を概念的に示す説明図である。まず、燃料電池システム３から使用済みのカートリッジ４に残留したＭｇ（ＯＨ）2 を回収する。そして、回収したＭｇ（ＯＨ）2 を、１気圧の空気中において、６００℃以上で２時間以上加熱することによって、Ｍｇ（ＯＨ）2 を酸化マグネシウム（以下、ＭｇＯという）と、Ｈ2 Ｏとに熱分解する。熱分解の化学反応は、下記化学反応式（２）で表される。
Ｍｇ（ＯＨ）2 →ＭｇＯ＋Ｈ2 Ｏ・・・（２）
【００２７】
なお、上記化学反応式（２）におけるギブスの自由エネルギー変化量ΔＧは、２７．２ｋＪ、エンタルピー変化量ΔＨは、３７．２ｋＪであり、吸熱反応である。
【００２８】
次いで、熱分解されたＭｇＯに、ＣＯ2 発生源５から回収したＣＯ2 を常温、１気圧の下で接触させることによって、ＭｇＣＯ3 マグネシウムを生成する。ＭｇＣＯ3 の生成に係る化学反応は、下記化学反応式（３）で表される。
ＭｇＯ＋ＣＯ2 →ＭｇＣＯ3 ・・・（３）
【００２９】
なお、上記化学反応式（３）におけるギブスの自由エネルギー変化量ΔＧは、−４８．５ｋＪ、エンタルピー変化量ΔＨは、−１００．９ｋＪであり、発熱反応である。従って、常温下でＭｇＯに二酸化炭素を接触させるのみで、ＭｇＣＯ3 を生成することができる。この反応熱は化学反応式（２）の反応に利用する事が可能である。
【００３０】
このようにＭｇ（ＯＨ）2 を熱分解し、熱分解して得られたＭｇＯにＣＯ2 を接触させることによって、Ｍｇ（ＯＨ）2 をＭｇＣＯ3 としてリサイクルすることが可能になる。
また、化石燃料の燃焼によって発生したＣＯ2 をＭｇＣＯ3 として安定的に固定することが可能になる。
【００３１】
図４は、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１の構成例を模式的に示す断面図である。Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１は、ロータリーキルン方式の熱分解装置１１、コンベア１２、及び炭酸マグネシウム生成機１３を備え、ＭｇＨ2 製造装置２３に並設されている。
【００３２】
熱分解装置１１は、中空の回転円筒体１１ａを備える。回転円筒体１１ａはその中心軸が水平面に対して傾斜するような姿勢で、図示しない支持装置によって、回転自在に支持されている。回転円筒体１１ａの傾斜方向上流側の端部には、回転円筒体１１ａの内部にＭｇ（ＯＨ）2 が投入される投入口１１ｂが形成され、投入口１１ｂにはＭｇ（ＯＨ）2 供給用のホッパ１１ｅが設けられている。回転円筒体１１ａの傾斜方向下流側の端部には、Ｍｇ（ＯＨ）2 の熱分解によって生成されたＭｇＯが排出される排出口１１ｃが設けられている。また、回転円筒体１１ａの内周面には、Ｍｇ（ＯＨ）2 を攪拌するための図示しない攪拌板が突設されている。
【００３３】
回転円筒体１１ａの径方向外側には、回転円筒体１１ａの外形よりも内径が大きく、且つ中心軸方向の長さが回転円筒体１１ａよりも短い円筒状加熱風流路１１ｄが回転円筒体１１ａと同軸的に配設されている。円筒状加熱風流路１１ｄは、内部が中空であり、円筒状加熱風流路１１ｄの傾斜方向下流側の端面には、所定間隔を隔てて複数の燃焼ガス供給部１１ｆが周設されている。燃焼ガス供給部１１ｆには、例えば、パイロコーキング装置２１から送出された熱及び燃焼ガスが供給されるように構成されている。また、円筒状加熱風流路１１ｄの傾斜方向上流側には排気筒１１ｇが設けられている。
燃焼ガス供給部１１ｆを通じて、パイロコーキング装置２１から円筒状加熱風流路１１ｄへ燃焼ガスが供給された場合、燃焼ガスは加熱風として円筒状加熱風流路１１ｄを下流側から上流側へ通流し、回転円筒体１１ａを外周側から加熱する。
【００３４】
また、回転円筒体１１ａは、図示しない駆動機構によって、中心軸を中心として所定速度で回転するように構成されている。例えば、駆動機構は、回転円筒体１１ａの外周面に形成された平歯車と、該平歯車に噛合する小歯車と、該小歯車を回転させるモータとから構成されている。なお、モータの回転速度は、投入口１１ｂから投入されたＭｇ（ＯＨ）2 が熱分解されて排出口１１ｃから排出されるまでの時間が約２時間になるように設定すれば良い。
【００３５】
コンベア１２は、熱分解装置１１の回転円筒体１１ａの排出口１１ｃから排出されたＭｇＯを炭酸マグネシウム生成機１３へ搬送するベルトコンベアである。
【００３６】
炭酸マグネシウム生成機１３は、ＭｇＯ及びＣＯ2 を反応させてＭｇＣＯ3 を生成するための反応室１３ａと、生成したＭｇＣＯ3 を反応室１３ａから排出するロータリーバルブ１３ｅと、反応室１３ａから排出されたＭｇＣＯ3 を回収する回収容器１３ｆとを備える。
【００３７】
反応室１３ａは、縦長円筒状をなしており、上端部には、ＭｇＯが投入される投入口１３ｂが形成されている。また、反応室１３ａの下端部は、テーパ状に縮径しており、反応室１３ａで生成したＭｇＣＯ3 を排出するための排出口１３ｄが形成されている。更に、反応室１３ａの投入口１３ｂと、排出口１３ｄとの間には、ＣＯ2 を反応室１３ａ内に拡散させて供給する二酸化炭素供給部１３ｃが設けられている。二酸化炭素供給部１３ｃは、例えば、反応室１３ａよりも小径の中空円板状又は中空の環状をなし、上面側に、ＣＯ2 を反応室１３ａの上方へ噴射する噴射口が複数形成されたノズル部を備えている。ノズル部は、反応室１３ａ内に固着されており、ノズル部には反応室１３ａの外部からノズル部にＣＯ2 を供給する配管が接続されている。該配管には、ＣＯ2 を供給する二酸化炭素供給源、例えば二酸化炭素ボンベ６が接続される。二酸化炭素ボンベ６は、ＣＯ2 発生源５から回収したものである。
【００３８】
ロータリーバルブ１３ｅは、ロータ、該ロータを収容する収容体、及び該ロータを回転させるモータを備える。ロータは、収容体に軸受を介して回転自在に支持された円柱状の軸部と、該軸部の周面から径方向外側に突出した複数の羽板とを備え、構成されている。ロータリーバルブ１３ｅのロータが回転した場合、反応室１３ａの下端部に堆積しているＭｇＣＯ3 が下方へ掻き出される。
【００３９】
回収容器１３ｆは、ロータリーバルブ１３ｅの下方に配されており、ロータリーバルブ１３ｅにて排出されたＭｇＣＯ3 を回収する。
【００４０】
図５は、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１を用いた水酸化マグネシウムのリサイクル工程を示す工程図である。
【００４１】
まず、燃料電池システム３から使用済みのカートリッジ４に残留したＭｇ（ＯＨ）2 を回収する（ステップＳ１１）。具体的には、燃料電池システム３のカートリッジ装着部３２から取り外されたカートリッジ４を回収して、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１へ運搬する。そして、カートリッジ４からＭｇ（ＯＨ）2 を取り出して、回収する。
【００４２】
次いで、ＣＯ2 発生源５で分離、回収されたＣＯ2 を回収する（ステップＳ１２）。具体的には、ＣＯ2 を封入した二酸化炭素ボンベ６をＣＯ2 発生源５からＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１へ運搬して回収する。なお、二酸化炭素の分離は、膜分離法によって行われている。
【００４３】
そして、ステップＳ１１で回収したＭｇ（ＯＨ）2 を投入口１１ｂに投入し、熱分解装置１１を操業することによって、Ｍｇ（ＯＨ）2 をＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する（ステップＳ１３）。具体的には、熱分解装置１１の回転円筒体１１ａが所定の速度で回転することによって、投入口１１ｂから投入されたＭｇ（ＯＨ）2 は、投入口１１ｂから排出口１１ｃへ攪拌されながら移動する。また、円筒状加熱風流路１１ｄ内を下流側から上流側へ加熱風としての燃焼ガスが通流することによって、回転円筒体１１ａは外側から加熱されるため、Ｍｇ（ＯＨ）2 は、投入口１１ｂから排出口１１ｃへ移動する間に加熱され、ＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する。Ｈ2 Ｏは、水蒸気として排出口１１ｃから排出される。排出口１１ｃから排出されたＭｇＯは、コンベア１２によって炭酸マグネシウム生成機１３へ搬送され、投入口１３ｂに投入される。
【００４４】
次いで、二酸化炭素供給部１３ｃから反応室１３ａ内にＣＯ2 を供給し、ロータリーバルブ１３ｅを回転させることによって、投入口１３ｂから投入されたＭｇＯにＣＯ2 を接触させ、ＭｇＣＯ3 を生成し（ステップＳ１４）、処理を終える。ロータリーバルブ１３ｅが回転した場合、投入口１３ｂから投入されたＭｇＯは反応室１３ａの上方から下方へ移動し、移動している間に、ＭｇＯは、二酸化炭素供給部１３ｃから供給されたＣＯ2 と接触し、ＭｇＣＯ3 が生成される。ステップＳ１４における化学反応は発熱反応であるため、該化学反応で発生した熱を回収し、回収した熱をステップＳ１３の工程、即ちＭｇ（ＯＨ）2 をＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する工程に導入することも可能である。言い換えると、第３発明に係る水酸化マグネシウムリサイクル装置に、炭酸マグネシウム生成手段にて炭酸マグネシウムを生成させた場合に発生する熱を回収する熱回収手段を備え、熱分解手段が、前記熱回収手段にて回収した熱を用いて、水酸化マグネシウムを加熱するように構成しても良い。
【００４５】
実施の形態に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル方法、Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１にあっては、Ｍｇ（ＯＨ）2 をＭｇＣＯ3 としてリサイクルすることができ、しかも深海貯留、地中貯留に比べて簡易且つ安定的にＣＯ2 をＭｇＣＯ3 として固定化することができる。
ＭｇＣＯ3は、例えば緩剤のような医薬品、滑り抑止剤、その他の工業原料等に使用される。
【００４６】
（変形例１）
なお、実施の形態においては、パイロコーキング装置から供給された燃焼ガスを、燃焼ガス供給部を通じて円筒状加熱風流路に供給するように構成してあるが、パイロコーキング装置で発生した可燃性ガスを熱分解装置側で燃焼させて、回転円筒体を加熱するように構成しても良い。
具体的には、燃焼ガス供給部に代えて、パイロコーキング装置から供給された可燃性ガスを燃焼させるバーナーを備え、円筒状加熱風流路に代えて円筒状燃焼室（燃焼炉）を備えると良い。より具体的には、回転円筒体の径方向外側に、回転円筒体の外形よりも内径が大きく、且つ中心軸方向の長さが回転円筒体よりも短い円筒状燃焼室を回転円筒体と同軸的に配設する。円筒状燃焼室は、内部が中空であり、円筒状燃焼室の傾斜方向下流側の端面には、所定間隔を隔てて複数のバーナーが周設されている。また、円筒状燃焼室の傾斜方向上流側には排気筒が設けられている。
変形例１にあっては、ステップＳ１３の工程でバーナーがパイロコーキング装置から供給された可燃性ガスを燃焼させることによって、回転円筒体は外側から加熱されるため、Ｍｇ（ＯＨ）2 は、投入口から排出口へ移動する間に加熱され、ＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する。以下、同様の工程を経て、ＭｇＣＯ3が生成される。
【００４７】
（変形例２）
図６は、変形例２に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１の構成例を模式的に示す断面図である。変形例２に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置１は、円筒状加熱風流路１１ｄ、排気筒１１ｇ、及び燃焼ガス供給部１１ｆに代えて、Ｍｇ（ＯＨ）2を加熱する加熱風としての燃焼ガスを、排出口１１ｃ側から投入口１１ｂ側へ送る加熱送風器１１ｈを備えている。変形例２にあっては、ステップＳ１３の工程で回転円筒体１１ａへ直接、加熱風を下流側から上流側へ送風することによって、回転円筒体１１ａは内側から加熱されるため、Ｍｇ（ＯＨ）2 は、投入口１１ｂから排出口１１ｃへ移動する間に加熱され、ＭｇＯ及びＨ2 Ｏに熱分解する。以下、同様の工程を経て、ＭｇＣＯ3が生成される。
【００４８】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態に係るリサイクルシステムを示す概念図である。
【図２】ＭｇＨ2 製造設備の構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】水酸化マグネシウムリサイクル方法を概念的に示す説明図である。
【図４】Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置の構成例を模式的に示す断面図である。
【図５】Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置を用いた水酸化マグネシウムのリサイクル工程を示す工程図である。
【図６】変形例２に係るＭｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置の構成例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ Ｍｇ（ＯＨ）2 リサイクル装置
２ ＭｇＨ2 製造設備
３ 燃料電池システム
４ カートリッジ
５ ＣＯ2 発生源
６ 二酸化炭素ボンベ
１１ 熱分解装置
１１ａ 回転円筒体
１１ｂ 投入口
１１ｃ 排出口
１１ｄ 円筒状加熱風流路
１１ｈ 加熱送風器
１２ コンベア
１３ 炭酸マグネシウム生成機
１３ａ 反応室
１３ｂ 投入口
１３ｃ 二酸化炭素供給部
１３ｄ 排出口
１３ｆ 回収容器
３３ 燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから、加水分解で生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル方法であって、
回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解工程と、
熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成工程と
を有することを特徴とする水酸化マグネシウムリサイクル方法。
【請求項２】
前記炭酸マグネシウム生成工程は、
化石燃料を燃焼させる設備から回収した二酸化炭素を前記酸化マグネシウムに接触させるようにしてある
ことを特徴とする請求項１に記載の水酸化マグネシウムリサイクル方法。
【請求項３】
水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル装置であって、
回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解手段と、
熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成手段と
を備えることを特徴とする水酸化マグネシウムリサイクル装置。
【請求項４】
前記熱分解手段は、
筒状をなし、一端側に水酸化マグネシウムが投入される投入口を有し、他端側に酸化マグネシウムを排出する排出口を有する回転円筒体と、該回転円筒体を加熱する燃焼炉、前記回転円筒体の径方向外側に配されており、該回転円筒体を加熱する加熱風が通流する加熱風流路、又は前記水酸化マグネシウムを加熱する加熱風を、前記排出口側から前記投入口側へ送る加熱送風器とを備えたロータリーキルン方式の熱分解装置であり、
前記炭酸マグネシウム生成手段は、
酸化マグネシウム及び二酸化炭素を反応させる反応室を備え、該反応室は、前記熱分解手段にて熱分解された酸化マグネシウムが投入される投入口と、該投入口よりも下方に設けられており、二酸化炭素が供給される二酸化炭素供給口と、該二酸化炭素供給口よりも更に下方に設けられており、生成された炭酸マグネシウムを排出する排出口とを有する
ことを特徴とする請求項３に記載の水酸化マグネシウムリサイクル装置。
【請求項１】
水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから、加水分解で生成した水酸化マグネシウムを回収し、回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル方法であって、
回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解工程と、
熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成工程と
を有することを特徴とする水酸化マグネシウムリサイクル方法。
【請求項２】
前記炭酸マグネシウム生成工程は、
化石燃料を燃焼させる設備から回収した二酸化炭素を前記酸化マグネシウムに接触させるようにしてある
ことを特徴とする請求項１に記載の水酸化マグネシウムリサイクル方法。
【請求項３】
水素化マグネシウムの加水分解によって水素ガスを発生させて発電を行う燃料電池システムから回収した水酸化マグネシウムをリサイクルする水酸化マグネシウムリサイクル装置であって、
回収した水酸化マグネシウムを加熱することによって、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム及び水に熱分解する熱分解手段と、
熱分解された酸化マグネシウムに二酸化炭素を接触させることによって、炭酸マグネシウムを生成する炭酸マグネシウム生成手段と
を備えることを特徴とする水酸化マグネシウムリサイクル装置。
【請求項４】
前記熱分解手段は、
筒状をなし、一端側に水酸化マグネシウムが投入される投入口を有し、他端側に酸化マグネシウムを排出する排出口を有する回転円筒体と、該回転円筒体を加熱する燃焼炉、前記回転円筒体の径方向外側に配されており、該回転円筒体を加熱する加熱風が通流する加熱風流路、又は前記水酸化マグネシウムを加熱する加熱風を、前記排出口側から前記投入口側へ送る加熱送風器とを備えたロータリーキルン方式の熱分解装置であり、
前記炭酸マグネシウム生成手段は、
酸化マグネシウム及び二酸化炭素を反応させる反応室を備え、該反応室は、前記熱分解手段にて熱分解された酸化マグネシウムが投入される投入口と、該投入口よりも下方に設けられており、二酸化炭素が供給される二酸化炭素供給口と、該二酸化炭素供給口よりも更に下方に設けられており、生成された炭酸マグネシウムを排出する排出口とを有する
ことを特徴とする請求項３に記載の水酸化マグネシウムリサイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２３４８２９（Ｐ２００９−２３４８２９Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８０９４０（Ｐ２００８−８０９４０）
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（５０６０７４０１５）バイオコーク技研株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（５０６０７４０１５）バイオコーク技研株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
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