JP6848954B2 - 原料生成装置、燃料製造装置、および原料生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、原料生成装置、燃料製造装置、および原料生成方法に関する。

工場から排出されるガスに含まれる二酸化炭素を水素と反応させて、炭素および水素を含む燃料（例えば、メタン、メタノール）を製造する燃料製造装置が知られている。このような燃料製造装置は、吸着材に二酸化炭素をいったん吸着させて、ＶＳＡ（Vaccum Swing Adsorption）法を用いることにより排出ガスから窒素および水蒸気を除去した後に、二酸化炭素を吸着材から脱離している（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、吸着材にアミン材料を用いることにより、吸着材に吸着された二酸化炭素を高効率に脱離させるＶＳＡ法が開示されている。また、特許文献１には、二酸化炭素の分圧を減圧操作して吸着材から二酸化炭素を脱離させるＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法が開示されている。また、特許文献１には、吸着材が二酸化炭素を吸着した時の温度よりも高い温度のときに吸着材から二酸化炭素を脱離するＴＳＡ（Temperature Swing Adsorption）法が開示されている。

特許文献２には、二酸化炭素を吸着している吸着材に飽和水蒸気を供給することにより、吸着材から二酸化炭素を脱離させる二酸化炭素の分離回収システムが開示されている。特許文献３には、ハニカムロータと吸着材とを組み合わせてガス（例えば、二酸化炭素）を回収するガス回収濃縮装置が開示されている。特許文献４には、吸着材に吸着された二酸化炭素の分圧よりも低い分圧の水蒸気をパージガスとして使用し、吸着材から二酸化炭素を脱離させる二酸化炭素の分離回収方法が開示されている。非特許文献１には、二酸化炭素を吸着している吸着材に、真空ポンプを使って発生させた純水蒸気を供給して二酸化炭素を回収するシステムが開示されている。

国際公開２０１４−２０８７１２号公報 特開２０１８−５１５５４号公報 特開２０１８−６１９１７号公報 特開２０１０−６９３９８号公報

Junpei Fujiki, Firoz A. Chowdhury, Hidetaka Yamada, Katsunori Yogo, Highly efficient post-combustion CO2 capture by low-temperature steam-aided vacuum swing adsorption using a novel polyamine-based solid sorbent, Chemical Engineering Journal, 1 Jannuary 2017, Volume 307, Pages 273-282

しかし、特許文献１に開示されたＶＳＡ法は、吸着材から二酸化炭素を脱離させるために二酸化炭素の分圧を０．５（Ｐａ）まで下げなければならない。そのため、二酸化炭素の分圧を減圧するための電気エネルギーが必要となり、排出ガスに含まれる二酸化炭素を抽出するシステムの系全体のエネルギー効率が悪化してしまう。また、特許文献１に記載されたＰＳＡ法が用いられると、不活性ガスを用いて二酸化炭素の分圧が下げられるため、回収されるガスに含まれる二酸化炭素濃度が下がってしまう。ＰＳＡ法を用いて高濃度の二酸化炭素を得るためには、多段の吸着塔が必要となり、吸着材の体格が大きくなってしまう。また、特許文献１に記載されたＴＳＡ法が用いられると、吸着材を加熱するための顕熱が必要となり、系全体のエネルギー効率が悪化してしまう。

特許文献２および非特許文献１に開示された二酸化炭素を回収するシステムは、吸着材から脱離した二酸化炭素を水蒸気から分離して回収する。このシステムでは、吸着材を加熱するための顕熱が不要であるが、水から水蒸気を得るための水の潜熱および顕熱が必要となってしまう。そのため、これらのシステムでは、系全体のエネルギー効率が悪化してしまう。

特許文献３に開示されたガス回収濃縮装置は、吸着材に吸着している二酸化炭素を脱離させるために液体状態の温水を吸着材に降りかけているため、二酸化炭素の脱離に時間がかかってしまう。そのため、二酸化炭素の回収から、吸着材に吸着された二酸化炭素の脱離までを効率的に行うことができない。特許文献４に開示された二酸化炭素の分離回収方法は、火力発電プラントから発生した１２０℃以上の水蒸気をパージガスとして使用している。ＰＳＡ法では、１００℃以上において吸着材により吸着される二酸化炭素の量が小さくなる。そのため、ＰＳＡ法を用いて所定量の二酸化炭素を吸着するためには、吸着材を大きくする必要がある。

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、気体から抽出した二酸化炭素と、水素とを含む燃料としての混合ガスを生成する際の系全体のエネルギー効率を改善した原料生成装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、原料生成装置が提供される。この原料生成装置は、二酸化炭素を吸着する吸着材を収容する分離器と、水の電気分解により水素を発生させる水素供給部と、を備え、前記水素供給部は、前記電気分解に伴って発生する水蒸気を前記吸着材へ供給することで、前記吸着材からの二酸化炭素の脱離を促し、前記分離器は、前記水素供給部により発生した水素と前記吸着材から脱離した二酸化炭素との混合ガスを生成する。

この構成によれば、二酸化炭素を吸着している吸着材に、電気分解された水の蒸発によって発生した水蒸気が供給される。供給された水蒸気は、パージガスとして機能することにより、吸着材から二酸化炭素の脱離を促す。分離器では、吸着材から脱離した二酸化炭素と、水の電気分解によって発生した水素との混合ガスが生成される。混合ガスは、例えば、炭素および水素を含む燃料の製造に利用される。この構成により、二酸化炭素に混合するための水素を発生させる水の電気分解によって水素と共に発生してしまう水蒸気は、単に水素を得るために除湿されるのではなく、吸着材から二酸化炭素を脱離するためのパージガスとして利用されている。そのため、この原料生成装置では、水蒸気を除湿するためにエネルギーが不要になり、吸着材に吸着された二酸化炭素を脱離させるための他の処理も必要ない。これにより、吸着材から脱離した二酸化炭素と、水素との混合ガスを得るための系全体のエネルギー効率を改善できる。

（２）上記形態の原料生成装置において、さらに、前記吸着材に対して、二酸化炭素を含む流体を供給する供給流路と、前記供給流路に配置され、前記流体中の水を除去する凝縮器と、を備えていてもよい。
この構成によれば、吸着材に供給される流体としての気体に水蒸気が含まれていても、吸着材に供給される前に、凝縮器により水蒸気が除去される。これにより、吸着材が水蒸気を吸着しなくても済むため、吸着材に吸着させる二酸化炭素の濃度が高くなる。

（３）上記形態の原料生成装置において、さらに、前記吸着材から脱離した二酸化炭素と、前記電気分解に伴い発生した水蒸気との混合ガスを減圧する真空ポンプを備えていてもよい。
この構成によれば、二酸化炭素および水素を含む混合ガスが減圧されることにより、混合ガス中の二酸化炭素と水素とが占める分圧の比率が変化する。これにより、混合ガス中の二酸化炭素と水素との割合を、混合ガスに対して後に行われる処理に適した割合に調整できる。

（４）本発明の他の一形態によれば、燃料製造装置が提供される。この燃料製造装置は、上記形態の原料生成装置と、前記吸着材から脱離した二酸化炭素と、前記水素供給部により発生した水素との混合ガスを反応させて炭素および水素を含む燃料を製造する反応器と、を備える。
この構成によれば、原料生成装置によって生成された二酸化炭素と水素との混合ガスは、炭素と水素とを含む燃料として製造される。これにより、吸着材に吸着された二酸化炭素の脱離から燃料製造までのエネルギー効率を向上させることができる。

（５）上記形態の燃料製造装置において、さらに、前記反応器で発生した熱を前記分離器に供給する熱供給部と、前記熱供給部により供給される熱を制御することによって、前記吸着材が二酸化炭素を吸着する際の前記吸着材の温度と、前記吸着材が二酸化炭素を脱離する際の前記吸着材の温度との少なくとも一方を調整する温度調整部と、を備え、前記反応器は、前記混合ガス中の二酸化炭素および水素に対してメタン化反応を生じさせてもよい。
この構成によれば、分離器に収容される吸着材は、メタン化反応によって発生した熱により加熱される。温度調整部によって、二酸化炭素の吸着時と脱離時との少なくとも一方の温度が調整されることにより、吸着材における吸着時と脱離時との温度差を小さくできる。これにより、吸着材の加熱にメタン化反応の熱が利用されているため、吸着材を加熱するための熱源を備える必要がなく、系全体のエネルギー効率をさらに向上できる。さらに、吸着材における吸着時と脱離時との温度差が小さくなることにより、温度調整のための顕熱が小さくて済む。

（６）上記形態の燃料製造装置において、前記温度調整部は、前記吸着材が二酸化炭素を吸着する際の前記吸着材の温度を摂氏１００度未満に調整してもよい。
この構成によれば、二酸化炭素の吸着時の温度が１００℃未満であるため、ＰＳＡ法により二酸化炭素を吸着材に吸着させる場合に、吸着材は、より多くの二酸化炭素を吸着できる。これにより、吸着材の小型化および燃料の製造速度の高速化を実行できる。

（７）本発明の他の一形態によれば、二酸化炭素を吸着する吸着材を収容する分離器と、水を電気分解する水素供給部と、を備える装置における原料生成方法が提供される。この原料生成方法は、水の電気分解により水素を発生させる工程と、前記電気分解に伴って発生した水蒸気を前記吸着材へ供給することで、前記吸着材からの二酸化炭素の脱離を促す工程と、前記分離器によって、発生した水素と前記吸着材から脱離した二酸化炭素との混合ガスを生成する工程と、を備える。
この構成によれば、水の電気分解により、水素と共に発生してしまう水蒸気は、除湿されるのではなく、吸着材から二酸化炭素を脱離するためのパージガスとして利用されている。そのため、この原料生成方法では、水蒸気を除湿するためにエネルギーが不要になり、吸着材に吸着された二酸化炭素を脱離させるための他の処理も必要ない。これにより、吸着材から脱離した二酸化炭素と、水素との混合ガスを得るための系全体のエネルギー効率を向上させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、原料生成装置および原料生成方法、燃料製造装置および燃料製造方法、燃料製造システム、二酸化炭素循環システム、これら装置やシステムの制御のためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、およびコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態における原料生成装置を備える二酸化炭素循環システムのブロック図である。 原料生成処理を含む二酸化炭素循環処理のフローチャートである。 第２実施形態における原料生成装置を備える二酸化炭素循環システムのブロック図である。 比較例１におけるＣＯ₂循環システムのブロック図である。 比較例２におけるＣＯ₂循環システムのブロック図である。 ＣＯ₂循環システムにおける分離回収エネルギーを示すグラフである。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態における原料生成装置１０を備える二酸化炭素循環システム（ＣＯ₂循環システム）１００のブロック図である。本実施形態のＣＯ₂循環システム１００は、燃料を燃焼させることによって動力を得ると共に二酸化炭素を含む排出ガス（以降、単に「排ガス」とも言う）を排出する工場ＦＡと、工場ＦＡから排ガスが供給される燃料製造装置５０とを備えている。工場ＦＡから排出される排ガスには、二酸化炭素、酸素、窒素、および水蒸気などの気体が含まれている。本実施形態の燃料製造装置５０は、排ガスに含まれる二酸化炭素を用いて、水素と炭素とを含む燃料を製造する。

燃料製造装置５０は、工場から排出される排ガスを用いて燃料の元となる混合ガスを生成する原料生成装置１０と、原料生成装置１０によって生成された混合ガスを用いて燃料を製造する反応器５と、反応器５による燃料製造の際に生じた熱を分離器２に供給する熱供給部４と、分離器２の温度を調整する温度調整部９とを備えている。熱供給部４は、オイル等の流体の熱媒体が流通する流路である。温度調整部９は、熱供給部４を流れる熱媒体の流量を制御することにより、分離器２の温度を調整する開閉弁である。

排ガスが供給された原料生成装置１０は、後述する処理を行うことによって、混合ガスとしての二酸化炭素および水素を反応器５へと供給する。本実施形態の反応器５は、原料生成装置１０から供給された二酸化炭素および水素に対して、メタン化反応を生じさせる。反応器５は、メタン化反応によって、炭素および水素を含む燃料としてのメタン（ＣＨ₄）を製造する。なお、他の実施形態で製造される炭素および水素を含む燃料は、メタン以外の燃料であってもよく、例えばメタノールなどであってもよい。

原料生成装置１０は、二酸化炭素を着脱可能な吸着材２１を収容する分離器２と、工場ＦＡから排出される排ガスを分離器２へと供給する供給流路３０と、供給流路３０の途中に配置されて排ガス中の水蒸気を除去する凝縮器１と、分離器２へと水素を供給する水素供給部３とを備えている。本実施形態の吸着材２１は、多孔体にアミンを担持させた個体吸収材である。なお、他の実施形態の吸着材２１は、ゼオライト等の吸着材が採用されてもよい。

供給流路３０は、工場ＦＡから排出される排ガスを凝縮器１へと供給する上流側流路３１と、凝縮器１を通過した排ガスを分離器２へと供給する下流側流路３２とを備えている。凝縮器１は、上流側流路３１を通過した排ガスに含まれる水蒸気を液体の水に凝縮し、凝縮した水をＣＯ₂循環システム１００の外部へと排出する。これにより、下流側流路３２を介して、水蒸気が除去された排ガスが、原料生成装置１０へと供給される。

水素供給部３は、水の電気分解を行うことにより水素を発生させている。また、水素供給部３による水の電気分解により、水の蒸発に伴う水蒸気が発生する。水素供給部３は、発生した二酸化炭素および水素を分離器２に供給する。本実施形態の水素供給部３は、水の電気分解による反応熱によって発生する水蒸気を、水素と共に分離器２へと供給する。そのため、本実施形態の水素供給部３は、電気分解する水を加熱していない。水素供給部３０により電気分解される水は、所定温度（例えば、摂氏７０度（℃）前後）に冷却されている。なお、他の実施形態では、電気分解される水が、加熱されてもよいし、冷却されていなくてもよい。図示していないが、水素供給部３から分離器２へと水素および水蒸気を供給する供給路、および分離器２から反応器５へと二酸化炭素および水素を供給する供給路のそれぞれには、供給路を開閉する開閉機構が設けられている。これらの開閉機構の開閉が制御されることにより、それぞれの供給路の接続が制御される。

吸着材２１は、凝縮器１から排ガスが供給されると共に水素供給部３から水素および水蒸気が供給されない状態で、ＰＳＡ法（圧力スイング法）により、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸着する。排ガスに含まれる気体の内、吸着材に吸着されなかった窒素と、凝縮器１によって排出されなかった水蒸気とは、分離器２の外部に排出される。吸着材２１に凝縮器１から排ガスが供給されない状態で、水素供給部３は、水素および水蒸気を分離器２内へと供給する。供給された水蒸気は、吸着材２１に吸着された二酸化炭素の脱離を促すパージガスとして機能する。パージガスとして機能した水蒸気は、吸着材２１に吸着される。分離器２は、脱離した二酸化炭素と、水素供給部３から供給された水素とを反応器５へと供給する。なお、本実施形態における温度調整部９は、吸着材２１が二酸化炭素を吸着する際の温度を１００℃未満になるように調整する。また、温度調整部９は、吸着材２１が二酸化炭素を吸着する際の温度と、吸着材２１が二酸化炭素を脱離する際の温度との少なくとも一方を調整する。これにより、温度調整部９は、二酸化炭素の吸着時の温度と、脱離時の温度との差を所定の温度範囲に調整している。

反応器５は、分離器２から供給された二酸化炭素および水素の混合ガスに対して、下記式（１）で表されるメタン化反応を生じさせる。

メタン化反応が生じることによって、二酸化炭素および水素から、燃料としてのメタンが製造される。メタン化反応は発熱反応であり、メタン化反応によって生じた熱は、熱供給部４によって熱媒体を介して分離器２に供給される。

図２は、原料生成処理を含む二酸化炭素循環処理（ＣＯ₂循環処理）のフローチャートである。ＣＯ₂循環処理では、初めに、工場ＦＡの稼働により二酸化炭素等を含む排ガスが発生する（ステップＳ１１）。発生した排ガスに含まれる水蒸気が、凝縮器１により凝縮されて外部に排出される（ステップＳ１２）。水蒸気が除去された排ガスに含まれる二酸化炭素は、分離器２に収容されている吸着材２１により吸着される（ステップＳ１３）。

水素供給部３は、水を電気分解する工程を行う（ステップＳ１４）。水素供給部３は、水の電気分解により発生させた水素と、電気分解される水が蒸発することにより発生した水蒸気とを分離器２に供給する。分離器２では、供給された水蒸気が吸着材２１に吸着している二酸化炭素を脱離させる脱離工程が行われる（ステップＳ１５）。吸着材２１から脱離した二酸化炭素と、水の電気分解により発生した水素とを含む混合ガスが、分離器２から反応器５へと供給される供給工程が行われる（ステップＳ１６）。

反応器５は、供給された混合ガスに対してメタン化反応を生じさせることにより、燃料としてのメタンを製造する（ステップＳ１７）。製造された燃料は、工場ＦＡへと供給される（ステップＳ１８）。ＣＯ₂循環処理を終了する所定の操作をＣＯ₂循環システム１００が受け付けた場合には（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、ＣＯ₂循環処理が終了する。ＣＯ₂循環システム１００が所定の操作を受け付けなかった場合には（ステップＳ１９：ＮＯ）、ステップＳ１１以降の処理が繰り返される。このように、工場ＦＡから排出される排ガスの中に含まれる二酸化炭素は、燃料として製造されてＣＯ₂循環システム１００を循環する。

以上説明した通り、本実施形態の原料生成装置１０によれば、吸着材２１に吸着されている二酸化炭素は、水素供給部３により供給された水蒸気がパージガスとして機能することにより、吸着材２１から脱離する。その後、吸着材２１から脱離した二酸化炭素および水素供給部３から供給された水素が、分離器２の内部から反応器５へと供給される。反応器５が、二酸化炭素および水素に対してメタン化反応を生じさせることにより、炭素および水素を含む燃料としてのメタンが製造される。水素を発生させるための水の電気分解では、水素と共に水蒸気が発生してしまう。発生した水蒸気は、単に水素を得るために除湿されるのではなく、吸着材２１から二酸化炭素を脱離するためのパージガスとして利用されている。そのため、水素と水蒸気とを含む気体から水蒸気を除去するエネルギーが不要になる。また、二酸化炭素を脱離させるための水蒸気は、水素を得るための処理と別の反応によって生成される必要がない。また、水蒸気を得るために、水の電気分解によって発生する反応熱を利用しており、電気分解される水は加熱されていない。これにより、水素とは別に水蒸気を発生させるために必要な顕熱および潜熱が不要になるため、ＣＯ₂循環システム１００の系全体のエネルギー効率を向上させることができる。

本実施形態の原料生成装置１０によれば、凝縮器１が排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して除去している。これにより、吸着材２１には水蒸気が除去された排ガスが供給されるため、吸着材２１に吸着させる二酸化炭素の濃度を高くできる。

本実施形態の燃料製造装置５０によれば、反応器５で生じるメタン化反応の熱を熱供給部４により分離器２へと供給している。メタン化反応によって生じる熱を利用しているため、分離器２の温度制御を行うための熱源が不要になる。これにより、二酸化炭素および水素を生成する燃料製造装置５０のエネルギー効率をさらに向上できる。

本実施形態の燃料製造装置５０によれば、温度調整部９は、二酸化炭素を吸着する際の吸着材２１の温度を１００℃未満に調整している。そのため、吸着材２１は、ＰＳＡ法が用いられると、排ガスに含まれる二酸化炭素の内のより多くの二酸化炭素を吸着できる。また、温度調整部９は、二酸化炭素の吸着時における吸着材２１の温度と、脱離時における吸着材２１の温度との差を所定の範囲内に調整する。これにより、吸着材２１の温度を合わせるための顕熱が少なくて済み、ＣＯ₂循環システム１００における系全体のエネルギー効率をさらに向上できる。また、水の電気分解に用いられるセル中の電解質膜は、高温下で使用されると劣化しやすくなる。それに対して、本実施形態の水素供給部３０は、電気分解する水を冷却しているため、電解質膜の劣化を抑制できる。

＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態における原料生成装置１０ａを備える二酸化炭素循環システム（ＣＯ₂循環システム）１００ａのブロック図である。第２実施形態のＣＯ₂循環システム１００ａは、第１実施形態のＣＯ₂循環システム１００に対して、原料生成装置１０ａが真空ポンプ６を備える点が異なる。そのため、第２実施形態では、真空ポンプ６について説明し、第１実施形態のＣＯ₂循環システム１００と同じ構成についての説明を省略する。

図３に示されるように、真空ポンプ６は、分離器２と反応器５とを接続する供給路の間に配置されている。なお、分離器２と真空ポンプ６とを接続する供給路、および、真空ポンプ６と反応器５とを接続する供給路とには、供給路を開閉する開閉機構が設けられている。真空ポンプ６は、分離器２内において、吸着材２１から二酸化炭素を脱離した二酸化炭素と、水の電気分解により発生した水蒸気とを減圧する。

第２実施形態における原料生成装置１０ａによれば、真空ポンプ６の減圧により、分離器２内における水素の割合が小さくなる。水素の割合が小さくなることにより、相対的に、分離器２内の二酸化炭素の割合が大きくなる。ここで、上記式（１）で表されるように、二酸化炭素と水素との割合を１：４に近づけることにより、理想のメタン化反応を生じさせることができる。これにより、反応器５が、メタンを効率良く製造できる。

＜比較例１＞
図４は、比較例１におけるＣＯ₂循環システム１０１のブロック図である。比較例１のＣＯ₂循環システム１０１は、第１実施形態のＣＯ₂循環システム１００に対して、除湿器７および真空ポンプ６ｂを備える点と、分離器２ｂにおける吸着材２１ｂの二酸化炭素の着脱方法とが異なる。そのため、比較例１では、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態のＣＯ₂循環システム１００と同じ構成についての説明を省略する。

水素供給部３は、水の電気分解により発生させた水素と、電気分解に伴い発生する水蒸気とを含む気体を除湿器７に供給する。除湿器７は、供給された気体から水蒸気を外部へ排出する。吸着材２１ｂは、圧力・温度スイング吸着によって二酸化炭素を着脱する。具体的には、吸着材２１ｂは、分離器２ｂ内の温度が３０℃の状態で二酸化炭素を吸着する。吸着材２１ｂに吸着された二酸化炭素は、分離器２１ｂ内の温度が７３℃まで上昇した後に、真空ポンプ６ｂにより分離器２１ｂ内が減圧された状態で吸着材２１ｂから脱離させられる。吸着材２１ｂから脱離した二酸化炭素と、除湿器７から供給された水素とが、混合ガスとして反応器５へと供給される。

比較例１のＣＯ₂循環システム１０１では、燃料の元となる水素は、水素供給部３による水の電気分解によって発生した水素および水蒸気から、除湿器７によって水蒸気を除去した後に得られている。そのため、比較例１のＣＯ₂循環システム１０１は、除湿器７によって水蒸気を除去するためのエネルギーが必要となる。また、温度スイング吸着のために、温度を３０℃から７３℃まで上昇させる顕熱が必要になる。これにより、比較例１のＣＯ₂循環システム１０１の系全体のエネルギー効率は、第１実施形態のＣＯ₂循環システム１００の系全体のエネルギー効率よりも低い。

＜比較例２＞
図５は、比較例２におけるＣＯ₂循環システム１０１ｃのブロック図である。比較例２のＣＯ₂循環システム１０１ｃは、第２実施形態のＣＯ₂循環システム１００ａに対して、水タンク８および除湿器７を備える点が異なる。比較例２の除湿器７は、比較例１の除湿器７と同じであるため、比較例２では、水タンク８の構成について説明し、第２実施形態のＣＯ₂循環システム１００ａと同じ構成および除湿器７についての説明を省略する。

水タンク８は、貯水された水を加熱して水蒸気を発生させる。発生した水蒸気が、吸着材２１ｃに吸着された二酸化炭素を脱離するためのパージガスとして機能する。吸着材２１ｃから脱離した二酸化炭素と、水素供給部３による電気分解によって発生した水素とは、反応器５へと供給される。

比較例２のＣＯ₂循環システム１０１ｃは、比較例１と同じように、水素供給部３による水の電気分解によって発生した水素および水蒸気から、除湿器７によって水蒸気を除去して水素を得ている。そのため、比較例２のＣＯ₂循環システム１０１ｃは、除湿器７によって水蒸気を除去するためのエネルギーが必要となる。また、比較例２のＣＯ₂循環システム１０１ｃは、水蒸気を発生させるために、水タンク８に貯水された水を加熱しているため、加熱のためのエネルギーが必要となる。これにより、比較例２のＣＯ₂循環システム１０１ｃの系全体のエネルギー効率は、第１実施形態のＣＯ₂循環システム１００の系全体のエネルギー効率よりも低い。

図６は、ＣＯ₂循環システム１００，１００ａ，１０１，１０１ｃにおける分離回収エネルギーを示すグラフである。図６に示される分離回収エネルギーは、工場ＦＡから排出された排ガスに含まれる単位あたりの二酸化炭素を燃料としてのメタンに製造するまでに必要なエネルギー（ジュール（Ｊ））を示している。そのため、図６に示される分離回収エネルギーが小さいほど、ＣＯ₂循環システムの系全体のエネルギー効率が良いことを表す。なお、実施例１および実施例２のそれぞれは、第１実施形態および第２実施形態の分離回収エネルギーを示している。

図６に示されるように、実施例１および実施例２の分離回収エネルギーは、比較例１および比較例２に比べて、小さくなっている。すなわち、第１実施形態のＣＯ₂循環システム１００および第２実施形態のＣＯ₂循環システム１００ａにおける系全体のエネルギー効率は、比較例１および比較例２に比べて、良いことがわかる。なお、第２実施形態のＣＯ₂循環システム１００ａが真空ポンプ６を備えるため、実施例２の分離回収エネルギーは、実施例１の分離回収エネルギーよりも若干悪くなっている。一方で、第２実施形態のＣＯ₂循環システム１００ａは、真空ポンプ６により反応器５へと供給する二酸化炭素と水素との比を調整できる効果を奏する。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
上記第１実施形態および第２実施形態は、二酸化炭素および水素の原料生成装置、原料生成装置を含む燃料製造装置の一例であり、種々変形可能である。例えば、燃料製造装置５０は、凝縮器１、熱供給部４、および温度調整部９を備えていなくてもよい。原料生成装置１０は、二酸化炭素を吸着している吸着材２１と、水の電気分解によって水素および水蒸気を吸着材２１に供給する水素供給部３とを備えていればよく、この他の構成を備えていなくてもよい。温度調整部９は、熱供給部４を流れる熱媒体の流量を用いずに、ヒータなどによって分離器２の温度を調整してもよい。

原料生成装置１０は、複数の吸着材２１および水素供給部３を備えていてもよい。燃料製造装置５０は、原料生成装置１０に加えて、凝縮器１、熱供給部４以外で種々の構成間で熱を循環させる構成を備えていてもよい。吸着材２１に二酸化炭素が吸着される際の温度と、吸着材２１から二酸化炭素を脱離させる際の温度との差についても、所定の範囲内である必要はなく、これらの温度については変形可能である。原料生成装置１０が、燃料製造装置５０が備えた熱供給部４および温度調整部９を備え、燃料製造装置５０が熱供給部４および温度調整部９を備えていなくてもよい。

［変形例２］
上記第１実施形態におけるＣＯ₂循環処理のフローチャート（図２）で示された各工程は、一例であり、必ずしも全ての工程を含んでいなくてもよいし、他の工程が含まれていても良い。例えば、ＣＯ₂循環処理に含まれる原料生成処理は、排出ガス内の水蒸気を除去する工程（Ｓ１２）や燃料の製造工程（Ｓ１７）を備えてなくてもよいし、例えば、吸着材２１から脱離した二酸化炭素の濃度を調整する工程を備えていてもよい。原料生成処理は、水の電気分解工程（Ｓ１４）、脱離工程（Ｓ１５）、および混合ガスの供給工程（Ｓ１６）を備えていればよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１…凝縮器
２，２ｂ…分離器
３…水素供給部
４…熱供給部
５…反応器
６，６ｂ…真空ポンプ
７…除湿器
８…水タンク
９…温度調整部
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…原料生成装置
２１，２１ｂ…吸着材
３０…供給流路
３１…上流側流路
３２…下流側流路
５０…燃料製造装置
１００，１００ａ，１０１，１０１ｃ…二酸化炭素循環システム（ＣＯ₂循環システム）
ＦＡ…工場

Claims (7)

1. 原料生成装置であって、
   二酸化炭素を吸着する吸着材を収容する分離器と、
   水の電気分解により水素を発生させる水素供給部と、を備え、
   前記水素供給部は、前記電気分解に伴って発生する水蒸気を前記吸着材へ供給することで、前記吸着材からの二酸化炭素の脱離を促し、
   前記分離器は、前記水素供給部により発生した水素と前記吸着材から脱離した二酸化炭素との混合ガスを生成する、原料生成装置。
2. 請求項１に記載の原料生成装置であって、さらに、
   前記吸着材に対して、二酸化炭素を含む流体を供給する供給流路と、
   前記供給流路に配置され、前記流体中の水を除去する凝縮器と、を備える、原料生成装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の原料生成装置であって、さらに、
   前記吸着材から脱離した二酸化炭素と、前記電気分解に伴い発生した水蒸気との混合ガスを減圧する真空ポンプを備える、原料生成装置。
4. 燃料製造装置であって、
   請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の原料生成装置と、
   前記原料生成装置により生成された前記混合ガスを反応させて炭素および水素を含む燃料を製造する反応器と、を備える、燃料製造装置。
5. 請求項４に記載の燃料製造装置であって、さらに、
   前記反応器で発生した熱を前記分離器に供給する熱供給部と、
   前記熱供給部により供給される熱を制御することによって、前記吸着材が二酸化炭素を吸着する際の前記吸着材の温度と、前記吸着材が二酸化炭素を脱離する際の前記吸着材の温度との少なくとも一方を調整する温度調整部と、を備え、
   前記反応器は、前記混合ガス中の二酸化炭素および水素に対してメタン化反応を生じさせる、燃料製造装置。
6. 請求項５に記載の燃料製造装置であって、
   前記温度調整部は、前記吸着材が二酸化炭素を吸着する際の前記吸着材の温度を摂氏１００度未満に調整する、燃料製造装置。
7. 二酸化炭素を吸着する吸着材を収容する分離器と、水を電気分解する水素供給部と、を備える装置における原料生成方法であって、
   水の電気分解により水素を発生させる工程と、
   前記電気分解に伴って発生した水蒸気を前記吸着材へ供給することで、前記吸着材からの二酸化炭素の脱離を促す工程と、
   前記分離器によって、前記水素供給部により発生した水素と前記吸着材から脱離した二酸化炭素との混合ガスを生成する工程と、を備える、原料生成方法。

Images