混合ガス生成装置
【課題】本発明は、混合ガス生成装置に関し、電解液へのＣＯ２の吸収効率の悪化を抑制可能な混合ガス生成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】混合ガス生成装置１０は、ＣＯ２回収器１４、電解液タンク１６，１８、電解器２０、水タンク２２、ＮＯｘ除去装置２４等を備えている。ＮＯｘ除去装置２４は、ＣＯ２回収器１４よりも上流側に設けられ、ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ）を分離除去する装置である。ＮＯｘ除去装置２４を設けることで、ＣＯ２回収器１４への導入前に、大気中のＮＯｘをＮＯｘ除去装置２４に吸着させることができる。従って、ＣＯ２回収器１４内の電解液にＮＯｘが吸収されるのを抑制でき、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。
【解決手段】混合ガス生成装置１０は、ＣＯ２回収器１４、電解液タンク１６，１８、電解器２０、水タンク２２、ＮＯｘ除去装置２４等を備えている。ＮＯｘ除去装置２４は、ＣＯ２回収器１４よりも上流側に設けられ、ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ）を分離除去する装置である。ＮＯｘ除去装置２４を設けることで、ＣＯ２回収器１４への導入前に、大気中のＮＯｘをＮＯｘ除去装置２４に吸着させることができる。従って、ＣＯ２回収器１４内の電解液にＮＯｘが吸収されるのを抑制でき、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、混合ガス生成装置に関し、より詳細には、電気分解により生成したＨ２とＣＯとからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油、石炭、天然ガスといった化石燃料は、熱、電気の生成の原料や、運輸燃料として使用され、現代のエネルギー消費社会を支えている。しかし、このような化石燃料は使い切り燃料であり、その埋蔵量には限りがある。そのため、化石燃料が枯渇した場合の備えが必要であることは言うまでもない。また、化石燃料の燃焼によるＣＯ２の大気中への放出は、地球温暖化の一要因となることが知られている。そのため、ＣＯ２の排出量を低減することが、近年の課題となっている。
【０００３】
これらの課題を解決する一つの手段として、ＣＯ２を原料とした代替燃料が検討されている。例えば、特許文献１には、ＣＯ２を原料として炭化水素系燃料（ＨＣ）を製造するシステムが開示されている。このシステムは、ＣＯ２およびＨ２を生成する電気化学的セル、水性ガスシフト触媒や、フィッシャー・トロプシュ反応（ＦＴ反応）装置を備えている。上記システムによる具体的なＨＣの製造方法は次のとおりである。先ず、上記電気化学的セルのアノード室に炭酸水素ナトリウムを供給しながら電気分解し、アノード室においてＣＯ２、カソード室においてＨ２をそれぞれ発生させる。次いで、発生させたＣＯ２およびＨ２を水性ガスシフト触媒に投入して、ＣＯ２をＣＯに変換する。次いで、得られたＣＯをＨ２と共にＦＴ反応装置に投入してＨＣを製造する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５０６２１３号公報
【特許文献２】特開２０００−２９６３１１号公報
【特許文献３】特開２００９−１０６９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記システムにおいては、上記アノード室に供給する炭酸水素ナトリウムを、水酸化ナトリウムに大気を導入することで製造している。そのため、上記システムによれば、大気中のＣＯ２を原料としてＨＣを製造できる。しかしながら、大気中にはＮＯｘやＳＯｘといったＣＯ２以外の物質が含まれ、これらは水酸化ナトリウムに可溶である。そのため、ＣＯ２の吸収効率が悪化し、上記電気化学的セルでのＣＯ２やＨ２の生成を阻害することに繋がる。従って、ＣＯ２以外の可溶成分を含んだガスを導入するようなシステムにおいては、これらの可溶成分の影響を如何にして低減するかが課題となる。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電解液へのＣＯ２の吸収効率の悪化を抑制可能な混合ガス生成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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、二酸化炭素と水とをそれぞれ電気分解して、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成する混合ガス生成装置であって、
二酸化炭素吸収特性を有する電解液と、水とを内部に備える電解装置と、
前記電解装置に大気または車両からの排気を導入するガス導入流路と、
前記ガス導入流路上に設けられ、前記電解装置へ導入させるガスから、前記電解装置内の電解液への二酸化炭素の吸収を妨害する成分を除去する吸収妨害成分除去手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記電解装置内の電解液は、イオン液体であり、
前記吸収妨害成分除去手段は、二酸化炭素分子以外の極性分子を吸着可能に構成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記吸収妨害成分除去手段は、ＮＯｘ、ＳＯｘおよび水のうち少なくとも１つを吸着可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１〜第３の発明によれば、吸収妨害成分除去手段によって、電解液へのＣＯ２の吸収を妨害する成分を除去できるので、ＣＯ２の吸収効率の悪化を抑制できる。電解液にイオン液体を用いた場合、ＣＯ２の吸収現象は、このイオン液体とＣＯ２とが静電的に相互作用することで起こる。しかしながら、ＣＯ２以外の極性分子も、ＣＯ２同様にイオン液体と静電的に相互作用できる。そのため、吸収妨害成分除去手段としては、ＣＯ２以外の極性分子を吸着できる構成であることが好ましい。また、大気または車両からの排気中に含まれるＣＯ２以外の極性分子としては、ＮＯｘ、ＳＯｘおよび水がある。そのため、吸収妨害成分除去手段としては、これらのうちの少なくとも１つを吸着できる構成であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１の混合ガス生成装置を含むシステムの全体構成図である。
【図２】実施の形態２の混合ガス生成装置を含むシステムの全体構成図である。
【図３】実施の形態３の混合ガス生成装置を含むシステムの全体構成図である。
【図４】実施の形態３の混合ガス生成装置を車両に搭載した場合の車両構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
先ず、図１を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本実施の形態の混合ガス生成装置を含むシステムの全体構成図である。図１に示すシステムは、Ｈ２とＣＯとからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置１０と、この混合ガスを用いてＨＣを合成するＦＴ合成装置１２とを備えている。
【００１３】
混合ガス生成装置１０は、ＣＯ２回収器１４、電解液タンク１６，１８、電解器２０、水タンク２２、ＮＯｘ除去装置２４等を備えている。ＣＯ２回収器１４は、大気を導入する大気導入経路２６上に設けられ、その内部にＣＯ２吸収特性を有する電解液を蓄えている。大気導入経路２６に大気を導入すると、ＣＯ２回収器１４の内部を流れる間に、この電解液に大気中のＣＯ２が吸収される。電解液タンク１６は、ＣＯ２回収器１４の下流側に配置され、ＣＯ２吸収済みの電解液を内部に備えている。電解器２０は、電解液タンク１６の下流側に配置され、電解液タンク１６内の電解液および水タンク２２内の水から、Ｈ２とＣＯとからなる混合ガスを生成する電気分解装置である。電解液タンク１８は、ＣＯ２回収器１４と電解器２０との間に配置され、ＣＯ２吸収前の電解液を内部に備えている。つまり、電解液は、電解液タンク１８、ＣＯ２回収器１４、電解液タンク１６および電解器２０をこの順に循環する。
【００１４】
また、ＮＯｘ除去装置２４は、ＣＯ２回収器１４よりも上流側の大気導入経路２６上に設けられ、ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ）を分離除去する装置であり、例えば、水を用いた湿式ＮＯｘ除去装置や、アルカリ金属、アルカリ土類金属や希土類と、白金等の貴金属とを組み合わせた吸着還元触媒などが挙げられる。ＮＯｘ除去装置２４として、特表昭６２−５０２３８８号公報、特開２０００−２９６３１１号公報や特開２０００−２８８３４６号公報で開示されている除去装置を用いることも可能である。
【００１５】
ＦＴ合成装置１２は、ＦＴ合成器２８、合成燃料タンク３０および水タンク３２を備えている。ＦＴ合成器２８は、混合ガス経路３４を介して電解器２０と接続されている。ＦＴ合成器２８は、鉄、コバルト、ルテニウム系のＦＴ触媒（図示せず）を備え、このＦＴ触媒の機能によって、電解器２０で生成した混合ガスからＨＣを合成可能に構成されている。
【００１６】
ここで、ＦＴ合成器２８における合成反応、即ち、ＦＴ反応について説明する。ＦＴ反応は、下記反応式で表すことができる。
ＣＯ（ｇ）＋２Ｈ２（ｇ）→−［１／ｎ（ＣＨ２）ｎ］−（ｌ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）
上記反応式において、−［１／ｎ（ＣＨ２）ｎ］−は、ＨＣを表すものとする。
【００１７】
合成燃料タンク３０および水タンク３２は、ＦＴ合成器２８の下流側に配置されて、ＦＴ合成器２８で合成したＨＣおよび水をそれぞれ蓄えることができる。水タンク３２の下流側は、水タンク２２と接続されていてもよい。
【００１８】
次に、本システムにおいて、電解液タンク１８を循環させる電解液について説明する。本システムに用いる電解液は、常温常圧（２５℃、１ａｔｍ）でカチオン部位とアニオン部位の分子組成から形成されている室温（好ましくは０℃以上）で液体の塩である。この電解液は、物理吸着によりＣＯ２吸収特性を発現するものである。物理吸着は、電解液とＣＯ２との静電的な相互作用に由来するものである。物理吸着が可能な塩としては、そのアニオン部位にフッ素原子などを含むものが挙げられる。
【００１９】
本システムに用いる電解液に好適な塩としては、以下に説明するイオン液体が挙げられる。イオン液体は、カチオン部位とアニオン部位の分子組成から形成され、常温でも結晶化せずに溶融している有機塩であり、蒸気圧が非常に低い上、ＣＯ２吸収特性を有するので、本システムに用いる電解液として好適である。
【００２０】
イオン液体を構成するカチオンとしては、下記式（１）、（２）に示すイミダゾリウム誘導体、下記式（３）に示すピリジニウム誘導体、下記式（４）に示すピロリジニウム誘導体、下記式（５）に示すアンモニウム誘導体および下記式（６）に示すホスフォニウム誘導体が該当する。これらのカチオン２種類以上を同時に使用してもよい。
【００２１】
【化１】
（上記式（１）中、Ｒは、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基であり、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２２】
【化２】
（上記式（２）中、Ｒ１は、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ２は、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基であり、Ｒ１、Ｒ２が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２３】
【化３】
（上記式（３）中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、同一でも異なっていてもよく、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ１〜Ｒ４が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２４】
【化４】
（上記式（４）中、Ｒ１、Ｒ２は、同一でも異なっていてもよく、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ１、Ｒ２が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２５】
【化５】
（上記式（５）中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、同一でも異なっていてもよく、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ１〜Ｒ４が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２６】
【化６】
（上記式（６）中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、同一でも異なっていてもよく、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ１〜Ｒ４が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２７】
イオン液体を構成するアニオンとしては、ＰＦ６−、ＢＦ４−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ３−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２Ｎ−、（ＣＦ３ＣＯ）２Ｎ−、（ＣＦ３ＳＯ２）Ｎ（ＣＯＣＦ３）−、ＦＳＯ２ＮＳＯ２Ｆ−が該当する。これらのアニオンは２種類以上を同時に使用してもよい。
【００２８】
ところで、大気中には、Ｎ２：７８．０８８％、Ｏ２：２０．９４９％、Ａｒ：０．９３％、ＣＯ２：約０．０４％、Ｎｅ：１．８×１０−３％、Ｈｅ：５．２４×１０−４％、ＣＨ４：１．４×１０−４％、Ｋｒ：１．１４×１０−４％、Ｎ２Ｏ：５．０×１０−５％、Ｈ２：５．０×１０−５％、ＣＯ：１．０×１０−５％、Ｏ３：約２．０×１０−６％、水蒸気：０．０〜０．４％が含まれる。また、沿道や工場排気からはＮＯやＮＯ２も排出されている。これらのうち、ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ）は極性分子であり上記イオン液体に吸着される。これは、アニオンのフッ素原子が電子的にマイナスに荷電しているので、この部分にＮ２ＯやＮＯｘのプラスの荷電部分が吸着するためである。故に、上記イオン液体の吸着サイトが占有され、ＣＯ２の吸収効率が低下してしまう。
【００２９】
また、標準還元電位は、それぞれＣＯ２：−０．１Ｖ、ＮＯ：１．４９５Ｖ、Ｎ２Ｏ：１．７７Ｖ、ＮＯ２：１．３６３Ｖまたは０．８Ｖである。そのため、これらの極性分子が溶け込んだイオン液体をＣＯ２の標準還元電位よりも低い電位で電気分解した場合には、ＣＯ２以外の極性分子が還元されずにイオン液体中に留まり続けるので、ＣＯ２の吸収効率を更に低下させる原因となる。また、ＮＯｘがイオン液体中に留まれば、イオン液体中のＣＯ２吸収量が減少するので、ＣＯ２の還元効率の低下にも繋がる。
【００３０】
この点、本実施形態においては、ＣＯ２回収器１４よりも上流側の大気導入経路２６上にＮＯｘ除去装置２４を設けているので、大気中のＮＯｘをＮＯｘ除去装置２４に吸着させることができる。従って、イオン液体にＮＯｘが吸着するのを抑制でき、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。特に、ＣＯ２の吸収効率の低下を抑制できれば、イオン液体の交換頻度を低減できるので、その交換に要するコストを削減できる。
【００３１】
なお、上述した実施の形態１においては、大気導入経路２６が上記第１の発明における「ガス導入流路」に、ＮＯｘ除去装置２４が上記第１の発明における「吸収妨害成分除去手段」に、それぞれ相当する。
【００３２】
実施の形態２．
次に、図２を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。なお、本実施形態の混合ガス生成装置は、上記実施の形態１の装置構成を前提とするので、共通する構成部分についてはその説明を簡略化または省略する。
【００３３】
上記実施の形態１においては、ＣＯ２回収器１４よりも上流側の大気導入経路２６上にＮＯｘ除去装置２４を配置したので、ＣＯ２回収器１４への導入前に、大気中のＮＯｘを吸着除去できる。ところで、上記実施の形態１で述べたように、大気中には水蒸気も含まれる。ここで、上記イオン液体は水に対して不溶であるので水蒸気は上記イオン液体に溶けないとも考えられる。しかしながら、水分子は極性を有するので、気体状態の水分子が上記イオン液体に吸着する可能性がある。そのため、仮に、水分子が上記イオン液体に吸着した場合、上記イオン液体の吸着サイトが占有され、ＣＯ２の吸収効率が低下してしまう。この問題は、ＮＯｘ除去装置２４に湿式ＮＯｘ除去装置を用いた場合は、特に顕著となる。即ち、この湿式ＮＯｘ除去装置からの水蒸気が、大気中の水蒸気と共にＣＯ２回収器１４へ流入し、水分子が上記イオン液体に吸着してしまう。
【００３４】
この点、本実施形態においては、図２に示すように、ＮＯｘ除去装置２４とＣＯ２回収器１４の間の大気導入経路２６上に、除湿器３６を配置している。除湿器３６は、例えば、シリカゲルやゼオライトといった吸着剤を内部に備えるものである。このような構成によれば、上記イオン液体に水分子が吸着する可能性を予め排除できるので、上記実施の形態１同様、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。
【００３５】
ところで、上記実施の形態においては、ＮＯｘ除去装置２４とＣＯ２回収器１４の間に除湿器３６を配置したが、湿式ＮＯｘ除去装置以外の装置を用いる場合には、除湿器３６をＮＯｘ除去装置２４よりも上流側に配置してもよい。本変形例は、後述する実施の形態３においても同様に適用が可能である。
【００３６】
なお、上述した実施の形態２においては、大気導入経路２６が上記第１の発明における「ガス導入流路」に、ＮＯｘ除去装置２４および除湿器３６が上記第１の発明における「吸収妨害成分除去手段」に、それぞれ相当する。
【００３７】
実施の形態３．
次に、図３および図４を参照しながら、本発明の実施の形態３について説明する。なお、本実施形態の混合ガス生成装置は、上記実施の形態１および２の装置構成を前提とするので、共通する構成部分についてはその説明を簡略化または省略する。
【００３８】
上記実施の形態２においては、ＣＯ２回収器１４よりも上流側の大気導入経路２６上にＮＯｘ除去装置２４や除湿器３６を配置したので、ＣＯ２回収器１４への導入前に、大気中のＮＯｘや水分子を吸着除去できる。しかしながら、工場や車両からの排気中には潤滑油由来（一部は燃料由来）のＳＯｘが含まれている。また、ＳＯｘは極性分子であるで、ＮＯｘ同様上記イオン液体に吸着する。そのため、上記実施の形態１や２の混合ガス生成装置を、工場近傍で運転する場合や車両に搭載する場合には、上記イオン液体へのＳＯｘ吸着の影響を考慮する必要がある。
【００３９】
この点、本実施形態においては、図３に示すように、ＮＯｘ除去装置２４よりも上流側の大気導入経路２６上に、ＳＯｘ除去装置３８を配置している。ＳＯｘ除去装置３８としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属や希土類と、白金等の貴金属とを組み合わせた吸着還元触媒などが挙げられる。このような構成によれば、上記イオン液体にＳＯｘが吸着するのを抑制できるので、上記実施の形態１同様、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。
【００４０】
また、図４は、本実施の形態の混合ガス生成装置を車両に搭載した場合の車両構成図である。図４に示した車両においては、エンジン４０の運転中に排出される排気ガスを利用してＨＣを合成するように構成されている。具体的に、エンジン４０の排気通路４２上には、排気導入経路４４が接続されている。排気導入経路４４は、排気浄化触媒４６よりも上流側の排気通路４２上にその入口および出口を有する。つまり、排気ガスは、ＳＯｘ除去装置３８、ＮＯｘ除去装置２４、除湿器３６およびＣＯ２回収器１４を経由して再び排気通路４２に戻される。
【００４１】
また、排気導入経路４４よりも上流側の排気通路４２上には、その一部を迂回する迂回通路４８が設けられている。迂回通路４８上には、迂回通路４８の開閉を切り替えるバイパスバルブ５０と、ＦＴ合成器２８とが設けられている。バイパスバルブ５０を開いて排気ガスを迂回通路４８に流すことで、上記ＦＴ触媒の触媒機能と、排気ガスの熱エネルギーとによって、Ｈ２＆ＣＯタンク５２に蓄えられている混合ガスからＨＣを合成できる。
【００４２】
このような車両構成においては、排気ガスを直接的にＣＯ２回収器１４に導入するので、大気を導入する場合に比べ、より高濃度のＳＯｘがＣＯ２回収器１４に流入する可能性がある。この点、排気導入経路４４上にＳＯｘ除去装置３８を配置すれば、排気ガス中のＳＯｘ濃度を低下させ、上記イオン液体にＳＯｘが吸着するのを抑制できるので、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。
【００４３】
ところで、上記実施の形態においては、ＮＯｘ除去装置２４よりも上流側の大気導入経路２６上に、ＳＯｘ除去装置３８を配置したが、ＳＯｘ除去装置３８はＮＯｘ除去装置２４と除湿器３６との間に配置してもよく、除湿器３６とＣＯ２回収器１４の間に配置してもよい。
【００４４】
なお、上述した実施の形態３においては、排気導入経路４４が上記第１の発明における「ガス導入流路」に、ＮＯｘ除去装置２４、除湿器３６およびＳＯｘ除去装置３８が上記第１の発明における「吸収妨害成分除去手段」に、それぞれ相当する。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 混合ガス生成装置
１２ 合成装置
１４ ＣＯ２回収器
１６，１８ 電解液タンク
２０ 電解器
２２ 水タンク
２４ ＮＯｘ除去装置
２６ 大気導入経路
２８ 合成器
３０ 合成燃料タンク
３２ 水タンク
３４ 混合ガス経路
３６ 除湿器
３８ ＳＯｘ除去装置
４０ エンジン
４２ 排気通路
４４ 排気導入経路
４６ 排気浄化触媒
４８ 迂回通路
５０ バイパスバルブ
５２ Ｈ２＆ＣＯタンク
【技術分野】
【０００１】
この発明は、混合ガス生成装置に関し、より詳細には、電気分解により生成したＨ２とＣＯとからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油、石炭、天然ガスといった化石燃料は、熱、電気の生成の原料や、運輸燃料として使用され、現代のエネルギー消費社会を支えている。しかし、このような化石燃料は使い切り燃料であり、その埋蔵量には限りがある。そのため、化石燃料が枯渇した場合の備えが必要であることは言うまでもない。また、化石燃料の燃焼によるＣＯ２の大気中への放出は、地球温暖化の一要因となることが知られている。そのため、ＣＯ２の排出量を低減することが、近年の課題となっている。
【０００３】
これらの課題を解決する一つの手段として、ＣＯ２を原料とした代替燃料が検討されている。例えば、特許文献１には、ＣＯ２を原料として炭化水素系燃料（ＨＣ）を製造するシステムが開示されている。このシステムは、ＣＯ２およびＨ２を生成する電気化学的セル、水性ガスシフト触媒や、フィッシャー・トロプシュ反応（ＦＴ反応）装置を備えている。上記システムによる具体的なＨＣの製造方法は次のとおりである。先ず、上記電気化学的セルのアノード室に炭酸水素ナトリウムを供給しながら電気分解し、アノード室においてＣＯ２、カソード室においてＨ２をそれぞれ発生させる。次いで、発生させたＣＯ２およびＨ２を水性ガスシフト触媒に投入して、ＣＯ２をＣＯに変換する。次いで、得られたＣＯをＨ２と共にＦＴ反応装置に投入してＨＣを製造する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５０６２１３号公報
【特許文献２】特開２０００−２９６３１１号公報
【特許文献３】特開２００９−１０６９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記システムにおいては、上記アノード室に供給する炭酸水素ナトリウムを、水酸化ナトリウムに大気を導入することで製造している。そのため、上記システムによれば、大気中のＣＯ２を原料としてＨＣを製造できる。しかしながら、大気中にはＮＯｘやＳＯｘといったＣＯ２以外の物質が含まれ、これらは水酸化ナトリウムに可溶である。そのため、ＣＯ２の吸収効率が悪化し、上記電気化学的セルでのＣＯ２やＨ２の生成を阻害することに繋がる。従って、ＣＯ２以外の可溶成分を含んだガスを導入するようなシステムにおいては、これらの可溶成分の影響を如何にして低減するかが課題となる。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電解液へのＣＯ２の吸収効率の悪化を抑制可能な混合ガス生成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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、二酸化炭素と水とをそれぞれ電気分解して、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成する混合ガス生成装置であって、
二酸化炭素吸収特性を有する電解液と、水とを内部に備える電解装置と、
前記電解装置に大気または車両からの排気を導入するガス導入流路と、
前記ガス導入流路上に設けられ、前記電解装置へ導入させるガスから、前記電解装置内の電解液への二酸化炭素の吸収を妨害する成分を除去する吸収妨害成分除去手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記電解装置内の電解液は、イオン液体であり、
前記吸収妨害成分除去手段は、二酸化炭素分子以外の極性分子を吸着可能に構成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記吸収妨害成分除去手段は、ＮＯｘ、ＳＯｘおよび水のうち少なくとも１つを吸着可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１〜第３の発明によれば、吸収妨害成分除去手段によって、電解液へのＣＯ２の吸収を妨害する成分を除去できるので、ＣＯ２の吸収効率の悪化を抑制できる。電解液にイオン液体を用いた場合、ＣＯ２の吸収現象は、このイオン液体とＣＯ２とが静電的に相互作用することで起こる。しかしながら、ＣＯ２以外の極性分子も、ＣＯ２同様にイオン液体と静電的に相互作用できる。そのため、吸収妨害成分除去手段としては、ＣＯ２以外の極性分子を吸着できる構成であることが好ましい。また、大気または車両からの排気中に含まれるＣＯ２以外の極性分子としては、ＮＯｘ、ＳＯｘおよび水がある。そのため、吸収妨害成分除去手段としては、これらのうちの少なくとも１つを吸着できる構成であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１の混合ガス生成装置を含むシステムの全体構成図である。
【図２】実施の形態２の混合ガス生成装置を含むシステムの全体構成図である。
【図３】実施の形態３の混合ガス生成装置を含むシステムの全体構成図である。
【図４】実施の形態３の混合ガス生成装置を車両に搭載した場合の車両構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
先ず、図１を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本実施の形態の混合ガス生成装置を含むシステムの全体構成図である。図１に示すシステムは、Ｈ２とＣＯとからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置１０と、この混合ガスを用いてＨＣを合成するＦＴ合成装置１２とを備えている。
【００１３】
混合ガス生成装置１０は、ＣＯ２回収器１４、電解液タンク１６，１８、電解器２０、水タンク２２、ＮＯｘ除去装置２４等を備えている。ＣＯ２回収器１４は、大気を導入する大気導入経路２６上に設けられ、その内部にＣＯ２吸収特性を有する電解液を蓄えている。大気導入経路２６に大気を導入すると、ＣＯ２回収器１４の内部を流れる間に、この電解液に大気中のＣＯ２が吸収される。電解液タンク１６は、ＣＯ２回収器１４の下流側に配置され、ＣＯ２吸収済みの電解液を内部に備えている。電解器２０は、電解液タンク１６の下流側に配置され、電解液タンク１６内の電解液および水タンク２２内の水から、Ｈ２とＣＯとからなる混合ガスを生成する電気分解装置である。電解液タンク１８は、ＣＯ２回収器１４と電解器２０との間に配置され、ＣＯ２吸収前の電解液を内部に備えている。つまり、電解液は、電解液タンク１８、ＣＯ２回収器１４、電解液タンク１６および電解器２０をこの順に循環する。
【００１４】
また、ＮＯｘ除去装置２４は、ＣＯ２回収器１４よりも上流側の大気導入経路２６上に設けられ、ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ）を分離除去する装置であり、例えば、水を用いた湿式ＮＯｘ除去装置や、アルカリ金属、アルカリ土類金属や希土類と、白金等の貴金属とを組み合わせた吸着還元触媒などが挙げられる。ＮＯｘ除去装置２４として、特表昭６２−５０２３８８号公報、特開２０００−２９６３１１号公報や特開２０００−２８８３４６号公報で開示されている除去装置を用いることも可能である。
【００１５】
ＦＴ合成装置１２は、ＦＴ合成器２８、合成燃料タンク３０および水タンク３２を備えている。ＦＴ合成器２８は、混合ガス経路３４を介して電解器２０と接続されている。ＦＴ合成器２８は、鉄、コバルト、ルテニウム系のＦＴ触媒（図示せず）を備え、このＦＴ触媒の機能によって、電解器２０で生成した混合ガスからＨＣを合成可能に構成されている。
【００１６】
ここで、ＦＴ合成器２８における合成反応、即ち、ＦＴ反応について説明する。ＦＴ反応は、下記反応式で表すことができる。
ＣＯ（ｇ）＋２Ｈ２（ｇ）→−［１／ｎ（ＣＨ２）ｎ］−（ｌ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）
上記反応式において、−［１／ｎ（ＣＨ２）ｎ］−は、ＨＣを表すものとする。
【００１７】
合成燃料タンク３０および水タンク３２は、ＦＴ合成器２８の下流側に配置されて、ＦＴ合成器２８で合成したＨＣおよび水をそれぞれ蓄えることができる。水タンク３２の下流側は、水タンク２２と接続されていてもよい。
【００１８】
次に、本システムにおいて、電解液タンク１８を循環させる電解液について説明する。本システムに用いる電解液は、常温常圧（２５℃、１ａｔｍ）でカチオン部位とアニオン部位の分子組成から形成されている室温（好ましくは０℃以上）で液体の塩である。この電解液は、物理吸着によりＣＯ２吸収特性を発現するものである。物理吸着は、電解液とＣＯ２との静電的な相互作用に由来するものである。物理吸着が可能な塩としては、そのアニオン部位にフッ素原子などを含むものが挙げられる。
【００１９】
本システムに用いる電解液に好適な塩としては、以下に説明するイオン液体が挙げられる。イオン液体は、カチオン部位とアニオン部位の分子組成から形成され、常温でも結晶化せずに溶融している有機塩であり、蒸気圧が非常に低い上、ＣＯ２吸収特性を有するので、本システムに用いる電解液として好適である。
【００２０】
イオン液体を構成するカチオンとしては、下記式（１）、（２）に示すイミダゾリウム誘導体、下記式（３）に示すピリジニウム誘導体、下記式（４）に示すピロリジニウム誘導体、下記式（５）に示すアンモニウム誘導体および下記式（６）に示すホスフォニウム誘導体が該当する。これらのカチオン２種類以上を同時に使用してもよい。
【００２１】
【化１】
（上記式（１）中、Ｒは、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基であり、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２２】
【化２】
（上記式（２）中、Ｒ１は、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ２は、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基であり、Ｒ１、Ｒ２が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２３】
【化３】
（上記式（３）中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、同一でも異なっていてもよく、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ１〜Ｒ４が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２４】
【化４】
（上記式（４）中、Ｒ１、Ｒ２は、同一でも異なっていてもよく、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ１、Ｒ２が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２５】
【化５】
（上記式（５）中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、同一でも異なっていてもよく、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ１〜Ｒ４が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２６】
【化６】
（上記式（６）中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、同一でも異なっていてもよく、一級アミノ基および／または二級アミノ基を有していてもよい有機基または水素であり、Ｒ１〜Ｒ４が有機基である場合、有機基としては、好ましくは炭化水素基であり、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基である。）
【００２７】
イオン液体を構成するアニオンとしては、ＰＦ６−、ＢＦ４−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ３−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２Ｎ−、（ＣＦ３ＣＯ）２Ｎ−、（ＣＦ３ＳＯ２）Ｎ（ＣＯＣＦ３）−、ＦＳＯ２ＮＳＯ２Ｆ−が該当する。これらのアニオンは２種類以上を同時に使用してもよい。
【００２８】
ところで、大気中には、Ｎ２：７８．０８８％、Ｏ２：２０．９４９％、Ａｒ：０．９３％、ＣＯ２：約０．０４％、Ｎｅ：１．８×１０−３％、Ｈｅ：５．２４×１０−４％、ＣＨ４：１．４×１０−４％、Ｋｒ：１．１４×１０−４％、Ｎ２Ｏ：５．０×１０−５％、Ｈ２：５．０×１０−５％、ＣＯ：１．０×１０−５％、Ｏ３：約２．０×１０−６％、水蒸気：０．０〜０．４％が含まれる。また、沿道や工場排気からはＮＯやＮＯ２も排出されている。これらのうち、ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ）は極性分子であり上記イオン液体に吸着される。これは、アニオンのフッ素原子が電子的にマイナスに荷電しているので、この部分にＮ２ＯやＮＯｘのプラスの荷電部分が吸着するためである。故に、上記イオン液体の吸着サイトが占有され、ＣＯ２の吸収効率が低下してしまう。
【００２９】
また、標準還元電位は、それぞれＣＯ２：−０．１Ｖ、ＮＯ：１．４９５Ｖ、Ｎ２Ｏ：１．７７Ｖ、ＮＯ２：１．３６３Ｖまたは０．８Ｖである。そのため、これらの極性分子が溶け込んだイオン液体をＣＯ２の標準還元電位よりも低い電位で電気分解した場合には、ＣＯ２以外の極性分子が還元されずにイオン液体中に留まり続けるので、ＣＯ２の吸収効率を更に低下させる原因となる。また、ＮＯｘがイオン液体中に留まれば、イオン液体中のＣＯ２吸収量が減少するので、ＣＯ２の還元効率の低下にも繋がる。
【００３０】
この点、本実施形態においては、ＣＯ２回収器１４よりも上流側の大気導入経路２６上にＮＯｘ除去装置２４を設けているので、大気中のＮＯｘをＮＯｘ除去装置２４に吸着させることができる。従って、イオン液体にＮＯｘが吸着するのを抑制でき、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。特に、ＣＯ２の吸収効率の低下を抑制できれば、イオン液体の交換頻度を低減できるので、その交換に要するコストを削減できる。
【００３１】
なお、上述した実施の形態１においては、大気導入経路２６が上記第１の発明における「ガス導入流路」に、ＮＯｘ除去装置２４が上記第１の発明における「吸収妨害成分除去手段」に、それぞれ相当する。
【００３２】
実施の形態２．
次に、図２を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。なお、本実施形態の混合ガス生成装置は、上記実施の形態１の装置構成を前提とするので、共通する構成部分についてはその説明を簡略化または省略する。
【００３３】
上記実施の形態１においては、ＣＯ２回収器１４よりも上流側の大気導入経路２６上にＮＯｘ除去装置２４を配置したので、ＣＯ２回収器１４への導入前に、大気中のＮＯｘを吸着除去できる。ところで、上記実施の形態１で述べたように、大気中には水蒸気も含まれる。ここで、上記イオン液体は水に対して不溶であるので水蒸気は上記イオン液体に溶けないとも考えられる。しかしながら、水分子は極性を有するので、気体状態の水分子が上記イオン液体に吸着する可能性がある。そのため、仮に、水分子が上記イオン液体に吸着した場合、上記イオン液体の吸着サイトが占有され、ＣＯ２の吸収効率が低下してしまう。この問題は、ＮＯｘ除去装置２４に湿式ＮＯｘ除去装置を用いた場合は、特に顕著となる。即ち、この湿式ＮＯｘ除去装置からの水蒸気が、大気中の水蒸気と共にＣＯ２回収器１４へ流入し、水分子が上記イオン液体に吸着してしまう。
【００３４】
この点、本実施形態においては、図２に示すように、ＮＯｘ除去装置２４とＣＯ２回収器１４の間の大気導入経路２６上に、除湿器３６を配置している。除湿器３６は、例えば、シリカゲルやゼオライトといった吸着剤を内部に備えるものである。このような構成によれば、上記イオン液体に水分子が吸着する可能性を予め排除できるので、上記実施の形態１同様、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。
【００３５】
ところで、上記実施の形態においては、ＮＯｘ除去装置２４とＣＯ２回収器１４の間に除湿器３６を配置したが、湿式ＮＯｘ除去装置以外の装置を用いる場合には、除湿器３６をＮＯｘ除去装置２４よりも上流側に配置してもよい。本変形例は、後述する実施の形態３においても同様に適用が可能である。
【００３６】
なお、上述した実施の形態２においては、大気導入経路２６が上記第１の発明における「ガス導入流路」に、ＮＯｘ除去装置２４および除湿器３６が上記第１の発明における「吸収妨害成分除去手段」に、それぞれ相当する。
【００３７】
実施の形態３．
次に、図３および図４を参照しながら、本発明の実施の形態３について説明する。なお、本実施形態の混合ガス生成装置は、上記実施の形態１および２の装置構成を前提とするので、共通する構成部分についてはその説明を簡略化または省略する。
【００３８】
上記実施の形態２においては、ＣＯ２回収器１４よりも上流側の大気導入経路２６上にＮＯｘ除去装置２４や除湿器３６を配置したので、ＣＯ２回収器１４への導入前に、大気中のＮＯｘや水分子を吸着除去できる。しかしながら、工場や車両からの排気中には潤滑油由来（一部は燃料由来）のＳＯｘが含まれている。また、ＳＯｘは極性分子であるで、ＮＯｘ同様上記イオン液体に吸着する。そのため、上記実施の形態１や２の混合ガス生成装置を、工場近傍で運転する場合や車両に搭載する場合には、上記イオン液体へのＳＯｘ吸着の影響を考慮する必要がある。
【００３９】
この点、本実施形態においては、図３に示すように、ＮＯｘ除去装置２４よりも上流側の大気導入経路２６上に、ＳＯｘ除去装置３８を配置している。ＳＯｘ除去装置３８としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属や希土類と、白金等の貴金属とを組み合わせた吸着還元触媒などが挙げられる。このような構成によれば、上記イオン液体にＳＯｘが吸着するのを抑制できるので、上記実施の形態１同様、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。
【００４０】
また、図４は、本実施の形態の混合ガス生成装置を車両に搭載した場合の車両構成図である。図４に示した車両においては、エンジン４０の運転中に排出される排気ガスを利用してＨＣを合成するように構成されている。具体的に、エンジン４０の排気通路４２上には、排気導入経路４４が接続されている。排気導入経路４４は、排気浄化触媒４６よりも上流側の排気通路４２上にその入口および出口を有する。つまり、排気ガスは、ＳＯｘ除去装置３８、ＮＯｘ除去装置２４、除湿器３６およびＣＯ２回収器１４を経由して再び排気通路４２に戻される。
【００４１】
また、排気導入経路４４よりも上流側の排気通路４２上には、その一部を迂回する迂回通路４８が設けられている。迂回通路４８上には、迂回通路４８の開閉を切り替えるバイパスバルブ５０と、ＦＴ合成器２８とが設けられている。バイパスバルブ５０を開いて排気ガスを迂回通路４８に流すことで、上記ＦＴ触媒の触媒機能と、排気ガスの熱エネルギーとによって、Ｈ２＆ＣＯタンク５２に蓄えられている混合ガスからＨＣを合成できる。
【００４２】
このような車両構成においては、排気ガスを直接的にＣＯ２回収器１４に導入するので、大気を導入する場合に比べ、より高濃度のＳＯｘがＣＯ２回収器１４に流入する可能性がある。この点、排気導入経路４４上にＳＯｘ除去装置３８を配置すれば、排気ガス中のＳＯｘ濃度を低下させ、上記イオン液体にＳＯｘが吸着するのを抑制できるので、ＣＯ２の吸収効率やＣＯ２の還元効率の低下を抑制できる。
【００４３】
ところで、上記実施の形態においては、ＮＯｘ除去装置２４よりも上流側の大気導入経路２６上に、ＳＯｘ除去装置３８を配置したが、ＳＯｘ除去装置３８はＮＯｘ除去装置２４と除湿器３６との間に配置してもよく、除湿器３６とＣＯ２回収器１４の間に配置してもよい。
【００４４】
なお、上述した実施の形態３においては、排気導入経路４４が上記第１の発明における「ガス導入流路」に、ＮＯｘ除去装置２４、除湿器３６およびＳＯｘ除去装置３８が上記第１の発明における「吸収妨害成分除去手段」に、それぞれ相当する。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 混合ガス生成装置
１２ 合成装置
１４ ＣＯ２回収器
１６，１８ 電解液タンク
２０ 電解器
２２ 水タンク
２４ ＮＯｘ除去装置
２６ 大気導入経路
２８ 合成器
３０ 合成燃料タンク
３２ 水タンク
３４ 混合ガス経路
３６ 除湿器
３８ ＳＯｘ除去装置
４０ エンジン
４２ 排気通路
４４ 排気導入経路
４６ 排気浄化触媒
４８ 迂回通路
５０ バイパスバルブ
５２ Ｈ２＆ＣＯタンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素と水とをそれぞれ電気分解して、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成する混合ガス生成装置であって、
二酸化炭素吸収特性を有する電解液と、水とを内部に備える電解装置と、
前記電解装置に大気または車両からの排気を導入するガス導入流路と、
前記ガス導入流路上に設けられ、前記電解装置へ導入させるガスから、前記電解装置内の電解液への二酸化炭素の吸収を妨害する成分を除去する吸収妨害成分除去手段と、
を備えることを特徴とする混合ガス生成装置。
【請求項２】
前記電解装置内の電解液は、イオン液体であり、
前記吸収妨害成分除去手段は、二酸化炭素分子以外の極性分子を吸着可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の混合ガス生成装置。
【請求項３】
前記吸収妨害成分除去手段は、ＮＯｘ、ＳＯｘおよび水のうち少なくとも１つを吸着可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の混合ガス生成装置。
【請求項１】
二酸化炭素と水とをそれぞれ電気分解して、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成する混合ガス生成装置であって、
二酸化炭素吸収特性を有する電解液と、水とを内部に備える電解装置と、
前記電解装置に大気または車両からの排気を導入するガス導入流路と、
前記ガス導入流路上に設けられ、前記電解装置へ導入させるガスから、前記電解装置内の電解液への二酸化炭素の吸収を妨害する成分を除去する吸収妨害成分除去手段と、
を備えることを特徴とする混合ガス生成装置。
【請求項２】
前記電解装置内の電解液は、イオン液体であり、
前記吸収妨害成分除去手段は、二酸化炭素分子以外の極性分子を吸着可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の混合ガス生成装置。
【請求項３】
前記吸収妨害成分除去手段は、ＮＯｘ、ＳＯｘおよび水のうち少なくとも１つを吸着可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の混合ガス生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２２９４６１（Ｐ２０１２−２２９４６１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９６９６４（Ｐ２０１１−９６９６４）
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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