JP4045531B2

JP4045531B2 - Carbon dioxide decomposition equipment

Info

Publication number: JP4045531B2
Application number: JP2001333892A
Authority: JP
Inventors: 勤三李; 誠二岡田; 泰三加藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: JP2003137523A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素を効率よく分解するのに用いられる装置に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
化石燃料の消費量は年々増大し続けており、これに伴って、大気中の二酸化炭素の濃度も急速に高まっている。だが二酸化炭素濃度の上昇は、昨今、至るところで、その兆しを見せ始めている地球温暖化現象の原因の一つであると考えられており、それを効果的に抑止するための新技術の開発が、目下、さまざまな研究機関で鋭意進められている。
【０００３】
ところで、大気中から二酸化炭素を除去すること自体は比較的容易である。だが、大気中から抽出された二酸化炭素を、それが再び環境に悪影響を及ぼさないように処分（無害化処理）するのは非常に難しい。その処分方法としては、▲１▼大気中から抽出された二酸化炭素を固体化、つまりドライアイス状態として深海などに投棄する方法や、▲２▼水素を強制的に二酸化炭素と結合させて、それをアルコールなどの炭化水素化合物に変換する方法が知られている。
【０００４】
だが、こうした方法を含むいかなる従来技術でも、二酸化炭素の無害化処理には膨大なエネルギーの投入が不可欠であり、このためコストが非常に高くついてしまい効率がよくない。その上、エネルギーの消費は、新たな二酸化炭素の排出を伴うので、できるだけ避けねばならない。
【０００５】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、膨大なエネルギーを投入することなく、二酸化炭素を効率よく無害化処理（分解処理）できる二酸化炭素分解装置を提供することである。殊に、僅かなエネルギーを投入するだけで、あるいは逆にエネルギーを創出しながら、二酸化炭素を効率よく無害化処理（分解処理）できる二酸化炭素分解装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するべく研究を推し進める過程で、本発明者は、上記二酸化炭素の分解処理を、燃料電池の反応プロセスを利用して行わせることができないであろうかと考えた。
【０００７】
周知のとおり燃料電池は、一般に、活物質である水素および酸素を電解質層（水素イオン透過層）を介して反応させ、電子の流れを、したがって電力を発生させる仕組みとなっている。本発明者は、この反応で消費される酸素として、炭素と共同で二酸化炭素分子を構成しているものを利用することを思いついた。
【０００８】
すなわち、上記活物質として水素および二酸化炭素を供給し、この二酸化炭素から得た酸素を水素と反応させれば、電力を発生させながら、それと同時に二酸化炭素を分解して炭素を取り出すことが可能となる。そしてこの結果、膨大なエネルギーを投入することなく、二酸化炭素を効率よく無害化処理（分解処理）できるようになる。更に詳しく言うと、上記手法を用いれば、ごく僅かなエネルギーを投入するだけで、あるいは逆にエネルギー（すなわち電力）を創出しながら、二酸化炭素をそれが環境に悪影響を与えないよう効率よく無害化処理（分解処理）できるようになる。
【０００９】
しかしながら、このような機能を備えた実用的な装置、すなわち二酸化炭素分解装置を実現するには、その構造をいかなるものとすればよいか、という問題が依然として残されていた。本発明者は、こうした実情に鑑み、鋭意研究を推し進めた。そしてその所産として、この二酸化炭素分解装置の要部、つまり燃料電池においては酸素極に相当する部分を、酸素欠陥マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４−δ）を用いて構成すればよいことを突き止めた。更に正確に言うと、酸素極としての役割を果す構成要素の表面に、酸素欠陥マグネタイトの層（酸素捕獲層）を形成しておけば、二酸化炭素を効率よく分解つまり無害化し、残滓として炭素を排出するような二酸化炭素分解装置を実現できることを見出した。
【００１０】
以下、酸素欠陥マグネタイトを用いて構成された二酸化炭素分解装置が、どのようにして二酸化炭素を分解（無害化）し、炭素を排出するかについて、殊に、この酸素欠陥マグネタイトの層が表面に形成された酸素極相当部分（以下、単に酸素極という）が、二酸化炭素の無害化プロセスに、どのように寄与するかについて説明する。
【００１１】
まず酸素極に、すなわち３００℃程度に保たれた酸素欠陥マグネタイトの層に二酸化炭素が供給されると、この酸素欠陥マグネタイトは、次式（１）に示すごとく、二酸化炭素から、それを構成している酸素を奪い取って吸収する。これによって酸素の欠陥がなくなり、酸素欠陥マグネタイトは単なるマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）に変化する。
Ｆｅ_３Ｏ_４−δ＋ＣＯ_２→Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｃ（１）
【００１２】
ところで、装置が作動している間は、水素イオン透過層を経て、酸素極側には絶えず水素イオンが供給される。そして、この水素イオンは、酸素極から供給される酸素と結合して直ちに水（水蒸気）となる。この反応の際に、電子が、水素の供給される側に位置する電極すなわち燃料極側から酸素極側に移動し、装置には、この電子の移動に起因して起電力が生じる。つまり、電力が創出される。
【００１３】
さて、上述したように酸素極の表面には、それに接して酸素欠陥マグネタイトの層が設けられているわけであるが、両者の境界面付近では、常時、酸素の欠陥が補完されたマグネタイトの有する酸素が、次式（２）に示すごとく、酸素極に奪い取られる現象が起こっている。これは、酸素極においては、上述したように水素と酸素が結合して水が生じる反応が絶えず起こっており、言いかえれば酸素極は常にあらたな酸素の補給を必要としており、これが主因となって酸素極が酸素を強く引き寄せるからである。
Ｆｅ_３Ｏ_４→Ｆｅ_３Ｏ_４−δ＋Ｏ（２）
【００１４】
このようにして、一時的に酸素の欠陥が補完されたマグネタイトからは、再び酸素が奪い取られるので、酸素欠陥マグネタイトは、装置が作動している限り、一時的にそうなる以外、酸素の欠陥が補完された恒久的な安定状態となることは決してない。つまり酸素欠陥マグネタイトは、先に式（１）に示したごとく、酸素極に供給される二酸化炭素から酸素を奪い取り、それを吸収し続ける。換言すれば酸素欠陥マグネタイトは、半永久的に繰り返し二酸化炭素を酸素と炭素に分解し（すなわち二酸化炭素を無害化し）、この二つの生成物のうち酸素を装置が活物質として消費する。
【００１５】
こうして酸素欠陥マグネタイトは、一種の触媒として極めて有効に機能し、この結果、装置内では処理プロセスのサイクルが成立する。更に、上述した一連の反応に伴って、二酸化炭素を形成していた炭素が残滓として排出され、それは酸素欠陥マグネタイト層の表面に析出し、次第に堆積していく（したがって炭素の堆積量がある一定値に達した時点で、それを酸素欠陥マグネタイト層の表面から除去してやる必要がある）。ちなみに、このようにして得られた炭素は、その大部分が「C_２」で示される構造の特殊な分子となっており、このためその再利用は極めて容易である。具体的に言うと、「フラーレン」と呼ばれる、炭素原子をサッカーボール状に連結してなる物質を合成する際に、その原料として特に好適である。
【００１６】
総じて言うと、本発明に係る二酸化炭素分解装置は、一種の燃料電池（すなわち発電装置）としても機能する。但し、一般的な燃料電池とは異なり、本発明に係る二酸化炭素分解装置には、水素および酸素ではなく、水素および処理対象である二酸化炭素が、燃料電池の活物質に相当するものとして供給される。そして、この二酸化炭素分解装置では、酸素欠陥マグネタイトの層を設けた部分が、効果的に、しかも間断なく二酸化炭素から酸素を奪い続けるので、上述したごとく、膨大なエネルギーを投入することなく、二酸化炭素を効率よく無害化処理（分解処理）できる。殊に、ごく僅かなエネルギーをも浪費することなく、逆に電気エネルギー（電力）を創出しながら、二酸化炭素をそれが環境に悪影響を与えないよう効率よく無害化処理（分解処理）できる。
【００１７】
本発明は、上述したような卓越した新知見に基づいてなされたものであって、上記の課題は、
二酸化炭素を分解して、この二酸化炭素から炭素を取り出すのに用いられる装置であって、
水素イオンのみを、互いに対向する一面側から他面側へ透過させる機能を備えた水素イオン透過層と、
この水素イオン透過層の他面側に設けられた、酸素をイオン化する機能を備えた第１の電極と、
この第１の電極との間に、二酸化炭素を流入させるための空隙が形成されるよう設けられた第１の支持体と、
前記水素イオン透過層の一面側に設けられた、水素をイオン化する機能を備えた第２の電極と、
この第２の電極との間に、水素を流入させるための空隙が形成されるよう設けられた第２の支持体と
を具備し、
前記第１の電極は多孔質材料から構成されてなると共に、前記第１の電極の表面には、酸素欠陥マグネタイトからなる酸素捕獲層が形成されてなることを特徴とする二酸化炭素分解装置によって解決される。
【００１８】
なお、本発明に係る二酸化炭素分解装置においては、水素イオン透過層を金属材料から構成すると共に、この水素イオン透過層と第１の電極との間には、非金属材料からなる第１の絶縁層を介在させ、かつ、水素イオン透過層と第２の電極との間には、非金属材料からなる第２の絶縁層を介在させた構造とすることができる。こうした構造とすることには、次のような利点がある。
【００１９】
すなわち、このような構造を採用した場合、水素イオンは酸素（二酸化炭素）が供給される第１の電極側に難なく移動することができる。しかしながら、イオン化の際に水素が放出した電子については、第１の絶縁層および第２の絶縁層の存在により、電解質層に相当する部分の内部を移動することはできない。よって、この電子は外部回路を経由して、第１の電極側に移動することになる。この結果、上記構造を採用した場合でも、装置は効果的に機能し、高い効率で電気エネルギーを発生させる。
【００２０】
ところで、上述したような素材からなる電解質層相当部分の構成要素は、殊に、この電解質層相当部分の中央に位置し、最も大きな割合を占める金属製の水素イオン透過層部分は、特殊高分子膜などを用いたものに比して安価であり、手間を掛けず容易に得られる。その上、組成が簡単であるから劣化も起きにくく、したがって、それを用いて構成された装置は、長期間にわたって安定的に機能する。すなわち、水素イオン透過層関連部分に上記構造を採用することで、高価な材料からなる電解質層を用いることなく装置を構成でき、その上、性能低下が起きにくくなるので信頼性が向上する。
【００２１】
これに加えて、次のような効果も更に奏される。たとえば、電解質層相当部分を高分子膜から構成し、メタノールを直接供給する方式（ダイレクトメタノール方式）を採用した場合、装置には、クロスオーバーと呼ばれる問題が発生することがある。クロスオーバーとは、メタノールが電解質層相当部分を素通りしてしまう現象である。これはカソードの電極電位を大幅に低下させ、その結果、発生電力著しく低下させる。ところが上記構造を採用した場合、直接メタノールを供給しても、当然ながら、それは電解質層相当部分を透過できない。したがって、このクロスオーバーと呼ばれる現象が発生することはない。よって、燃料となる水素の供給にダイレクトメタノール方式を採用した場合でも何ら不具合は起きず、高い性能を安定的に発揮できる。
【００２２】
ひるがえって、上記水素イオン透過層を構成するのに好適な金属材料としては、マグネシウム・ニッケル系の合金、チタン系の合金、マグネシウム系の合金およびパラジウム系の合金からなる群の中から選ばれた一つが挙げられる。
【００２３】
また、本発明の二酸化炭素分解装置において、第１の絶縁層および第２の絶縁層の両方またはいずれか一方は、フラーレンあるいはカーボンナノチューブを用いて構成されたものであることが好ましい。こうした素材を用いる場合、それらは金属製の水素イオン透過層部分の表面に、たとえば塗布によって設けられる。したがって、上記第１の絶縁層および第２の絶縁層は薄膜状のものとなる。
【００２４】
一方、上記水素イオン透過層を、β−アルミナ系のセラミックス材料を用いて構成することもできる。この場合、絶縁層は不要となり、装置構造の簡素化が実現する。
【００２５】
そして、いかなる材料から構成された水素イオン透過層が採用された場合でも、装置の性能を更に高めるため、第１の電極において酸素欠陥マグネタイトからなる酸素捕獲層が形成された側の面には、複数の凹条が設けられてなることが好ましい。これによって、二酸化炭素が酸素欠陥マグネタイトと接触する面積が飛躍的に大きくなり、この結果、装置の更なる性能向上が図れる。
【００２６】
加えて、第１の支持体は、電圧が印加されることによって発熱し、かつ、温度の上昇に伴って電気抵抗が増大する特性（正特性）を備えたセラミックスから構成されたものであることが好ましい。こうした特性を備えたセラミックスとして具体的には、ＢａＴｉＯ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＣ、ＭｏＳｉ_２、ＬａＣｒＯ_３などが挙げられる。本構造を採用することによって、第１の支持体にヒーターとしての役割を負わせることができ、急速昇温システムが得られる。すなわち本発明の二酸化炭素分解装置は急速昇温システムを内蔵したものとなる。この結果、装置構造の更なる簡素化やコンパクト化が実現するだけでなく、装置が作動可能となる温度に達するまでの時間を大幅に短縮できるようになる。
【００２７】
なお、本発明に係る二酸化炭素分解装置に、いわば燃料として供給される水素は、不純物の混じらない純粋なものが好ましい。言いかえれば、液化状態や圧搾状態で容器に充填された純粋な水素を活物質として使用するのが理想である。だが純度の高い水素が得られるのであれば、常温・常圧では液体であるメタノールやガソリン、あるいは更に取り扱いが容易なＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＰＧ（液化石油ガス）などを改質して得た水素を、活物質として使用することもできる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図１を用いて、本発明の第１実施形態を具体的に説明する。なお、同図は本実施形態に係る二酸化炭素分解装置の構造を示す概略断面図である。
【００２９】
本実施形態に係る二酸化炭素分解装置（以下、本分解装置と言う）は、二酸化炭素を分解して、この二酸化炭素から炭素を取り出すのに用いられるものであるが、その一方で、発電装置である燃料電池としても機能する。すなわち本分解装置は、二酸化炭素を分解しながら、電力を発生させることができる。言いかえれば本分解装置は、水素と、無害化処理（分解処理）の対象である二酸化炭素とを活物質として外部から連続的に供給して、所期の動作を行わせるようにした電気化学的発電装置と見なすこともできる。
【００３０】
なお、本分解装置に供給される水素は、液化状態あるいは圧搾状態で耐圧容器に充填された純粋なものである。但し、一酸化炭素などの不純物がほとんど混じらない純度の高いものが得られる場合には、メタノールやガソリン、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）などの炭化水素系燃料を改質して得た水素を使用してもよい。一方、二酸化炭素については、耐圧容器に圧搾充填されたものやドライアイスを気化させて得たものを供給する。したがって別の言い方をすれば、本分解装置には、燃料となる水素と共に、実質上、酸化剤としての役割を果す二酸化炭素が供給される。そして、この二酸化炭素を構成する酸素が水素と反応することで、二酸化炭素が分解され、炭素が取り出される。
【００３１】
本分解装置は主要構成要素として、水素イオン透過層１、第１の絶縁層２、第１の電極３、第１の支持体４、第２の絶縁層５、第２の電極６、そして第２の支持体７を具備する。このうち水素イオン透過層１、第１の絶縁層２、そして第２の絶縁層５からなる積層体Ａは、いわば燃料電池における電解質層としての役割を果たす。すなわち、この積層体Ａは、水素イオンのみを図中、左から右へ透過させる。
【００３２】
更に詳しく言うと、上記積層体Ａを構成する水素イオン透過層１が、水素イオンのみを互いに対向する一面側から他面側へ透過させる機能を備えており、ここでは、この水素イオン透過層１として、金属材料から構成されたものを用いている。すなわち本実施形態では、この金属材料としてパラジウム系の合金からなるものを採用したが、この他にもマグネシウム・ニッケル系の合金、チタン系の合金、マグネシウム系の合金などを採用できる。
【００３３】
一方、水素イオン透過層１の他面側に、それに隣接して設けられた第１の絶縁層２、および同じく水素イオン透過層１の一面側に、それに隣接して設けられた第２の絶縁層５は、ともに非金属材料からできている。すなわち金属製の水素イオン透過層１は、非金属製の第１の絶縁層２および第２の絶縁層５に左右から挟み込まれた格好となっている。
【００３４】
ここでは、これら第１の絶縁層２および第２の絶縁層５を、ともに炭素系の材料であるフラーレン（Ｃ_６０）を主成分とする薄膜から形成した。更に詳しく言うと、フラーレンを液中に均一に分散させ、それを水素イオン透過層１の表面に塗布することで、第１の絶縁層２および第２の絶縁層５が形成されている。なおフラーレンに替えて、同じく炭素系材料であるカーボンナノチューブを用いてもよい。また、第１の絶縁層２および第２の絶縁層５のいずれか一方を、こうした炭素系材料で構成するだけでもよく、あるいは炭素系ではない、その他の絶縁材料（非金属材料）を用いてもよい。
【００３５】
次に、第１の電極３は、第１の絶縁層２に隣接して水素イオン透過層１の他面側に設けられている。一方、第２の電極６は、第２の絶縁層５に隣接して水素イオン透過層１の一面側に設けられている。このうち第１の電極３は、後述する酸素欠陥マグネタイトの層から奪い取った酸素をイオン化する触媒機能を備えている。更に詳しく言うと、第１の電極３は白金を主要な成分とする多孔質状のものである。具体的には、白金とニッケルからなる合金を用いている。一方、第２の電極６も、いわば燃料として供給される水素をイオン化する触媒機能を備えている。更に詳しく言うと、第２の電極６は白金を主要な成分とする多孔質状で、かつ、薄膜状のものである。具体的には、白金とルテニウム（Ｒｕ）からなる合金を用いている。
【００３６】
第１の支持体４は、第１の電極３との間（正確には酸素欠陥マグネタイトの層との間）に、分解処理の対象である二酸化炭素を流入させるための空隙４ａが形成されるよう設けられている。また第２の支持体７についても、第２の電極６との間に、水素を流入させるための空隙７ａが形成されるよう設けられている。
【００３７】
なお本実施形態では、第１の支持体４および第２の支持体７を、ともに断面コの字形とすることにより、こうした様態を実現している。しかし、この第１の支持体４および第２の支持体７として、第１の電極３あるいは第２の電極６と向き合う側の面に、多数の溝が形成されたものを用いてもよい。これによっても、二酸化炭素あるいは水素を流入させるのに十分な空隙が得られる。
【００３８】
ちなみに、本実施形態では第１の支持体４として、正特性セラミックス、具体的にはチタン酸バリウムなどから構成されたものを用いた。こうした材料からできている第１の支持体４は、給電回路Ｃによって電圧が印加されることで発熱し、かつ、温度の上昇に伴って電気抵抗が増大するので、温度はある範囲内で、ほぼ一定に保たれる。
【００３９】
このように本実施形態では、第１の支持体４にヒーターとしての役割を負わせているので、それを正特性セラミックスから構成したが、第２の支持体７が同様の材料から構成されていてもよい。あるいは、両方とも正特性セラミックスから構成されていてもよい。また、当然ながら、他の材料を用いてもよい。
【００４０】
第１の電極３には、化学反応により生じた電気エネルギーを取り出すためのリード線Ｌ_１が接続される。つまり第１の電極３は、負極として機能する。また、第２の電極６にも、同じく化学反応により生じた電気エネルギーを取り出すためのリード線Ｌ_２が接続される。すなわち第２の電極６は、正極として機能する。
【００４１】
更に言えば、実際には、図示の積層構造物つまり二酸化炭素分解装置単体が、燃料電池のセルのごとく積重されるので、上記第１の支持体４は、図中、一点鎖線にて示す他の装置が備える支持体（第２の支持体）７’に接した状態となる。また、第２の支持体７についても、図中、一点鎖線にて示す他の装置が備える支持体（第１の支持体）４’に接した状態となる。
【００４２】
さて本分解装置においては、上述したように、その第１の電極３は多孔質材料から構成されているが、この第１の電極３の表面（第１の支持体４と向き合う側の面）には、酸素欠陥マグネタイトからなる層、すなわち酸素捕獲層８が形成されている。つまり本分解装置は、上記構成要素に加えて、更に酸素欠陥マグネタイトからなる酸素捕獲層８を具備する。更に言えば、第１の電極３において、この酸素欠陥マグネタイトからなる酸素捕獲層８が形成された側の面には、複数の凹条が設けられ、その断面は櫛歯状となっている。したがって酸素捕獲層８は平坦なものではなく、上記凹条に対応した複数の窪みを有している。
【００４３】
上記のごとく構成された本分解装置は、次のように機能する。なお、水素および二酸化炭素の供給に先立って、装置を所定の温度まで加熱する必要があるが、これには上述した第１の支持体４のヒーター機能（急速昇温システム）が利用される。このヒーター機能により、装置全体は、常時、所定温度に維持されることになる。また、場合によっては、空隙４ａ内に水素を供給して酸素欠陥マグネタイトを還元し、酸素欠陥の程度が十分なものとなるよう準備作業を実施することもある。
【００４４】
さて、準備が完了したならば、続いては、水素および二酸化炭素を、図示のごとく本分解装置に供給する。すると、水素は第２の電極６と接触し、この第２の電極６が有する触媒作用によってイオン化される。その際、水素は電子を放出し、これが、第２の電極６に接続されたリード線Ｌ_２を用いて構成される外部導通路（外部回路）に流れ込む。
【００４５】
上記のごとく生成した水素イオンすなわち陽子は、続いて、水素イオン透過層１、第１の絶縁層２、そして第２の絶縁層５からなる積層体Ａを透過して、第１の電極３が存在する側に至る。ここで、水素イオンは酸素と出会い、そして更に、第１の電極３に接続されたリード線Ｌ_１を、すなわち上記外部導通路（外部回路）を経由して供給される電子と結び付き、この結果、水（水蒸気）が生じる。ところで、こうした一連の化学反応に付随して、外部導通路を電子が移動するが、これは言うまでもなく外部導通路に電流が流れることを意味する。したがって本分解装置（正確にはその集合体）は、それに接続された電気機器（本実施形態ではモーター）Ｍを高いエネルギー効率で動作させる。
【００４６】
さて、ひるがえって、酸素極である第１の電極３に、すなわち３００℃程度に保たれた、酸素欠陥マグネタイトからなる酸素捕獲層８に二酸化炭素が供給されると、この酸素捕獲層８（酸素欠陥マグネタイト）は、二酸化炭素から、それを構成している酸素を素早く奪い取って吸収する。これによって酸素欠陥マグネタイトには酸素の欠陥がなくなり、それは単なるマグネタイトに変化する。
【００４７】
しかしながら、装置が作動している間は、上述したごとく、水素イオン透過層１を経て、第１の電極３の側には絶えず水素イオンが供給される。そして、この水素イオンは、第１の電極３から供給される酸素と結合して直ちに水（水蒸気）となる。上記のとおり、この反応の際に、電子が、水素の供給される側に位置する第２の電極６（燃料極）から第１の電極３（酸素極）に移動し、装置には、この電子の移動に起因して起電力が生じる。つまり、電力が創出される。
【００４８】
さて、第１の電極３の表面には、それに接して酸素捕獲層８が設けられているわけであるが、両者の境界面付近では、常時、酸素の欠陥が補完されたマグネタイトの有する酸素が、第１の電極３に奪い取られる現象が起こっている。これは、第１の電極３においては、上述したように水素と酸素が結合して水が生じる反応が絶えず起きており、換言すれば、第１の電極３は常にあらたな酸素の補給を必要としており、これが主因となって、第１の電極３が酸素を強く引き寄せるからである。
【００４９】
このようにして、一時的に酸素の欠陥が補完されたマグネタイトから、再び酸素が奪い取られるので、酸素捕獲層８を構成している酸素欠陥マグネタイトは、装置が作動している限り、一時的にそうなる以外、酸素の欠陥が補完された恒久的な安定状態となることは決してない。つまり酸素欠陥マグネタイトは、第１の電極３に供給される二酸化炭素から酸素を奪い取り、それを吸収し続ける。言いかえれば酸素欠陥マグネタイトは、半永久的に繰り返し二酸化炭素を酸素と炭素に分解し（すなわち二酸化炭素を無害化し）、これら二つの生成物のうち酸素を装置が活物質として消費する。
【００５０】
こうして、酸素捕獲層８を構成している酸素欠陥マグネタイトは、一種の触媒として極めて有効に機能し、この結果、装置内では処理プロセスのサイクルが成立する。更に、上述した一連の反応に伴って、二酸化炭素を形成していた炭素が残滓として排出され、それは酸素捕獲層８の表面に析出し、次第に堆積していく。したがって実際には、炭素の堆積量がある一定値に達した時点で、それを酸素捕獲層８の表面から除去する作業が実施されることになる。なお、このようにして得られた炭素は、その大部分が「C_２」で示される構造の特殊な分子となっており、「フラーレン」と呼ばれる、炭素原子をサッカーボール状に連結してなる物質を合成する際、その原料として特に好適である。
【００５１】
総じて言うと、本分解装置は、一種の燃料電池（すなわち発電装置）として機能する。但し、一般的な燃料電池とは異なり、本分解装置には、水素および酸素ではなく、水素および処理対象である二酸化炭素が、燃料電池の活物質に相当するものとして供給される。そして、酸素欠陥マグネタイトからなる酸素捕獲層８が、効果的に間断なく二酸化炭素から酸素を奪い続けるので、上述したごとく、膨大なエネルギーを投入することなく、二酸化炭素を効率よく無害化処理（分解処理）できる。殊に、ごく僅かなエネルギーをも浪費することなく、逆に電気エネルギー（電力）を創出しながら、二酸化炭素をそれが環境に悪影響を与えないよう効率よく無害化処理（分解処理）できる。
【００５２】
続いて、図２を用いて本発明の第２実施形態を説明する。ここで、同図は本実施形態に係る二酸化炭素分解装置の構造を示す概略断面図である。なお、本実施形態についても、その基本的な技術思想や装置の基本構造、そしてそれが奏する効果は、上記第１実施形態とおおむね同じである。よって、以下では両者の相違点を中心に解説する。また、第１実施形態の装置が具備するものと同一の構成要素については、先に用いた符号を付して、その説明を省略する。
【００５３】
この第２実施形態に係る二酸化炭素分解装置は、金属製のものに替えて、β−アルミナ系のセラミックス材料から構成された水素イオン透過層１０を用いたことを特徴とする。すなわち、燃料電池においては電解質層に相当する部分を、本実施形態では、β−アルミナ系のセラミックス材料を用いて構成している。但し、セラミックス自体が絶縁材料であるため、第１実施形態のごとく絶縁層を設けてはいない。
【００５４】
β−アルミナ系の材料として具体的には、３Ｎａ_２Ｏ−１６Ａｌ_２Ｏ_３やＮａ_２Ｏ−１１Ａｌ_２Ｏ_３などが挙げられる。また、それ以外にも、Ｎａ_２Ｏ−５Ａｌ_２Ｏ_３に、硫酸系化合物、リン酸系化合物、塩素系化合物などを固溶させて得た材料が、上記水素イオン透過層１０を構成するのに好適である。
【００５５】
このように構成された本実施形態に係る二酸化炭素分解装置についても、第１実施形態の装置と同様に機能し、膨大なエネルギーを投入することなく、二酸化炭素を効率よく無害化処理（分解処理）できる。殊に、ごく僅かなエネルギーをも浪費することなく、逆に電気エネルギー（電力）を創出しながら、二酸化炭素をそれが環境に悪影響を与えないよう効率よく無害化処理（分解処理）できる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明に係る二酸化炭素分解装置は、膨大なエネルギーを投入することなく、二酸化炭素を効率よく無害化処理（分解処理）できる。特に、本発明に係る二酸化炭素分解装置は、僅かなエネルギーを投入するだけで、あるいは逆にエネルギーを創出しながら、二酸化炭素を効率よく無害化処理（分解処理）できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素分解装置の構造を示す概略断面図
【図２】本発明の第２実施形態に係る二酸化炭素分解装置の構造を示す概略断面図
【符号の説明】
１水素イオン透過層
２第１の絶縁層
３第１の電極
４第１の支持体
４ａ空隙
５第２の絶縁層
６第２の電極
７第２の支持体
７ａ空隙
８酸素捕獲層（酸素欠陥マグネタイトの層）
Ａ積層体
Ｃ給電回路
Ｌ_１，Ｌ_２リード線
Ｍ電気機器（モーター）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus used for efficiently decomposing carbon dioxide.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
The consumption of fossil fuels continues to increase year by year, and along with this, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere is rapidly increasing. However, the increase in carbon dioxide concentration is considered to be one of the causes of the global warming phenomenon that is beginning to show signs everywhere, and the development of new technology to effectively suppress it At present, various research institutions are diligently working on it.
[0003]
By the way, it is relatively easy to remove carbon dioxide from the atmosphere. However, it is very difficult to dispose (detoxify) carbon dioxide extracted from the atmosphere so that it does not adversely affect the environment again. Disposal methods include (1) solidifying carbon dioxide extracted from the atmosphere, that is, dumping it into the deep sea as dry ice, or (2) forcing hydrogen to combine with carbon dioxide, A method is known in which is converted into a hydrocarbon compound such as alcohol.
[0004]
However, in any conventional technique including these methods, enormous energy input is indispensable for the detoxification treatment of carbon dioxide, which results in a very high cost and is not efficient. Moreover, energy consumption must be avoided as much as possible, as it involves new carbon dioxide emissions.
[0005]
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide decomposing apparatus capable of efficiently detoxifying (decomposing) carbon dioxide without introducing enormous energy. In particular, it is an object of the present invention to provide a carbon dioxide decomposing apparatus capable of detoxifying (decomposing) carbon dioxide efficiently by supplying a small amount of energy or conversely creating energy.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the course of advancing research to solve the above problems, the present inventor has wondered whether the carbon dioxide decomposition process can be performed using the reaction process of the fuel cell.
[0007]
As is well known, a fuel cell generally has a mechanism in which hydrogen and oxygen, which are active materials, are reacted through an electrolyte layer (hydrogen ion permeable layer) to generate an electron flow and thus electric power. The present inventor has come up with the idea that, as oxygen consumed in this reaction, what constitutes a carbon dioxide molecule together with carbon is used.
[0008]
That is, if hydrogen and carbon dioxide are supplied as the active material, and oxygen obtained from the carbon dioxide is reacted with hydrogen, it is possible to generate carbon while simultaneously decomposing carbon dioxide while generating electric power. Become. As a result, carbon dioxide can be efficiently rendered harmless (decomposed) without inputting enormous energy. More specifically, with the above approach, carbon dioxide can be effectively detoxified so that it does not adversely affect the environment, with very little energy input or conversely creating energy (ie electricity). Processing (decomposition processing) becomes possible.
[0009]
However, in order to realize a practical apparatus having such a function, that is, a carbon dioxide decomposition apparatus, there still remains a problem as to what the structure should be. In view of such circumstances, the present inventor has pursued earnest research. As a product, the main part of the carbon dioxide decomposition apparatus, that is, the part corresponding to the oxygen electrode in the fuel cell, is replaced with oxygen-deficient magnetite (Fe ₃ O _4-δ ). More precisely, if a layer of oxygen-deficient magnetite (oxygen trapping layer) is formed on the surface of the component that serves as the oxygen electrode, carbon dioxide is efficiently decomposed, that is, harmless, and carbon is left as a residue. It has been found that a carbon dioxide decomposing apparatus capable of discharging can be realized.
[0010]
In the following, how a carbon dioxide decomposition apparatus constructed using oxygen-deficient magnetite decomposes (detoxifies) carbon dioxide and discharges carbon, in particular, the layer of oxygen-deficient magnetite on the surface. A description will be given of how the formed portion corresponding to the oxygen electrode (hereinafter simply referred to as the oxygen electrode) contributes to the detoxification process of carbon dioxide.
[0011]
First, when carbon dioxide is supplied to the oxygen electrode, that is, the oxygen-deficient magnetite layer maintained at about 300 ° C., the oxygen-deficient magnetite is composed of carbon dioxide as shown in the following formula (1). Takes away and absorbs oxygen. This eliminates oxygen defects, and oxygen-deficient magnetite is simply magnetite (Fe ₃ O ₄ ).
Fe ₃ O _4-δ + CO ₂ → Fe ₃ O ₄ + C (1)
[0012]
By the way, while the device is operating, hydrogen ions are constantly supplied to the oxygen electrode side through the hydrogen ion permeable layer. The hydrogen ions are combined with oxygen supplied from the oxygen electrode and immediately become water (water vapor). During this reaction, electrons move from the electrode on the hydrogen supply side, that is, the fuel electrode side to the oxygen electrode side, and an electromotive force is generated in the apparatus due to the movement of the electrons. That is, electric power is created.
[0013]
As described above, the surface of the oxygen electrode is provided with an oxygen-defect magnetite layer in contact therewith, but in the vicinity of the boundary surface between them, the oxygen-depleted magnetite is always supplemented. As shown in the following formula (2), a phenomenon occurs in which oxygen is taken away by the oxygen electrode. In the oxygen electrode, as described above, the reaction in which hydrogen and oxygen are combined to produce water constantly occurs. In other words, the oxygen electrode always needs a new supply of oxygen, and this is the main cause. This is because the oxygen electrode strongly attracts oxygen.
Fe ₃ O ₄ → Fe ₃ O _4-δ + O (2)
[0014]
In this way, oxygen is once again deprived from the magnetite that has been temporarily supplemented with oxygen defects, so that the oxygen-deficient magnetite has oxygen defects other than temporarily, as long as the device is in operation. There will never be a permanent stable state of complementation. That is, the oxygen-deficient magnetite takes oxygen from carbon dioxide supplied to the oxygen electrode and continues to absorb it as shown in the equation (1). In other words, oxygen-deficient magnetite repeatedly decomposes carbon dioxide into oxygen and carbon semipermanently (that is, detoxifies carbon dioxide), and oxygen is consumed by the apparatus as an active material among these two products.
[0015]
Thus, the oxygen-deficient magnetite functions extremely effectively as a kind of catalyst, and as a result, a processing process cycle is established in the apparatus. Further, with the series of reactions described above, carbon that has formed carbon dioxide is discharged as a residue, which is deposited on the surface of the oxygen-deficient magnetite layer and gradually accumulates (therefore, the amount of carbon deposition is constant). When the value is reached, it must be removed from the surface of the oxygen-deficient magnetite layer). By the way, most of the carbon obtained in this way is `` C ₂ It is a special molecule with a structure represented by "." Specifically, it is particularly suitable as a raw material for synthesizing a substance called “fullerene”, which is formed by connecting carbon atoms in a soccer ball shape.
[0016]
Generally speaking, the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present invention also functions as a kind of fuel cell (that is, a power generation apparatus). However, unlike a general fuel cell, the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present invention is supplied with hydrogen and carbon dioxide to be treated as equivalent to the active material of the fuel cell, instead of hydrogen and oxygen. The In this carbon dioxide decomposition apparatus, the portion provided with the layer of oxygen-deficient magnetite keeps taking oxygen from carbon dioxide effectively and without interruption. Carbon can be detoxified (decomposed) efficiently. In particular, carbon dioxide can be efficiently detoxified (decomposition treatment) so as not to adversely affect the environment while wasting electrical energy (electric power) without wasting very little energy.
[0017]
The present invention has been made on the basis of the above-described outstanding new knowledge, and the above-described problems are as follows.
An apparatus used for decomposing carbon dioxide and extracting carbon from the carbon dioxide,
A hydrogen ion permeable layer having a function of transmitting only hydrogen ions from one side facing each other to the other side;
A first electrode having a function of ionizing oxygen provided on the other surface side of the hydrogen ion permeable layer;
A first support provided to form a gap for allowing carbon dioxide to flow in between the first electrode;
A second electrode provided on one side of the hydrogen ion permeable layer and having a function of ionizing hydrogen;
A second support provided to form a gap for flowing hydrogen between the second electrode and the second electrode;
Comprising
The first electrode is made of a porous material, and an oxygen capture layer made of oxygen-deficient magnetite is formed on the surface of the first electrode. Is done.
[0018]
In the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present invention, the hydrogen ion permeable layer is made of a metal material, and the first insulation made of a nonmetal material is provided between the hydrogen ion permeable layer and the first electrode. A layer may be interposed, and a second insulating layer made of a nonmetallic material may be interposed between the hydrogen ion permeable layer and the second electrode. Such a structure has the following advantages.
[0019]
That is, when such a structure is employed, hydrogen ions can move without difficulty to the first electrode side to which oxygen (carbon dioxide) is supplied. However, electrons released from hydrogen during ionization cannot move inside the portion corresponding to the electrolyte layer due to the presence of the first insulating layer and the second insulating layer. Therefore, the electrons move to the first electrode side via the external circuit. As a result, even when the above structure is adopted, the device functions effectively and generates electric energy with high efficiency.
[0020]
By the way, the constituent elements of the electrolyte layer corresponding portion made of the above-mentioned material are particularly located in the center of the electrolyte layer corresponding portion, and the metal hydrogen ion permeable layer portion occupying the largest proportion is a special polymer. It is cheaper than that using a film or the like, and can be easily obtained without taking time and effort. In addition, since the composition is simple, deterioration does not easily occur, and thus a device constructed using the composition functions stably over a long period of time. That is, by adopting the above structure in the hydrogen ion permeable layer-related portion, it is possible to configure a device without using an electrolyte layer made of an expensive material, and it is difficult to cause performance degradation, and reliability is improved.
[0021]
In addition to this, the following effects are further exhibited. For example, when a system corresponding to the electrolyte layer is formed of a polymer film and a system for directly supplying methanol (direct methanol system) is adopted, a problem called crossover may occur in the apparatus. Crossover is a phenomenon in which methanol passes through the portion corresponding to the electrolyte layer. This greatly reduces the electrode potential of the cathode, resulting in a significant reduction in generated power. However, when the above structure is adopted, even if methanol is directly supplied, it cannot be transmitted through the portion corresponding to the electrolyte layer. Therefore, a phenomenon called crossover does not occur. Therefore, even when the direct methanol system is used for supplying hydrogen as a fuel, no malfunction occurs and high performance can be stably exhibited.
[0022]
On the other hand, the metal material suitable for forming the hydrogen ion permeable layer is one selected from the group consisting of magnesium / nickel alloys, titanium alloys, magnesium alloys and palladium alloys. One of them.
[0023]
In the carbon dioxide decomposition apparatus of the present invention, it is preferable that both or one of the first insulating layer and the second insulating layer is configured using fullerenes or carbon nanotubes. When these materials are used, they are provided on the surface of the metal hydrogen ion permeable layer by, for example, coating. Accordingly, the first insulating layer and the second insulating layer are in the form of a thin film.
[0024]
On the other hand, the hydrogen ion permeable layer may be formed using a β-alumina ceramic material. In this case, an insulating layer is not necessary, and the device structure is simplified.
[0025]
And even when a hydrogen ion permeable layer made of any material is adopted, in order to further improve the performance of the device, the surface on the side where the oxygen trapping layer made of oxygen-defect magnetite is formed on the first electrode, It is preferable that a plurality of concave stripes are provided. This dramatically increases the area where carbon dioxide comes into contact with the oxygen-deficient magnetite. As a result, the performance of the apparatus can be further improved.
[0026]
In addition, the first support is made of ceramics having a characteristic (positive characteristic) that generates heat when a voltage is applied and increases in electrical resistance as the temperature rises. Is preferred. Specifically, as a ceramic with such characteristics, BaTiO ₃ , ZrO ₂ , SiC, MoSi ₂ , LaCrO ₃ Etc. By adopting this structure, the first support can have a role as a heater, and a rapid temperature raising system can be obtained. That is, the carbon dioxide decomposition apparatus of the present invention has a built-in rapid temperature raising system. As a result, not only further simplification and compactness of the device structure can be realized, but also the time required to reach a temperature at which the device can be operated can be greatly shortened.
[0027]
In addition, it is preferable that the hydrogen supplied as fuel to the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present invention is pure without impurities. In other words, it is ideal to use pure hydrogen filled in the container in a liquefied or compressed state as an active material. However, if high-purity hydrogen can be obtained, it can be obtained by reforming methanol or gasoline, which is liquid at room temperature and pressure, or LNG (liquefied natural gas) or LPG (liquefied petroleum gas), which are easier to handle. Hydrogen can also be used as the active material.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be specifically described with reference to FIG. In addition, the figure is a schematic sectional drawing which shows the structure of the carbon dioxide decomposition apparatus which concerns on this embodiment.
[0029]
The carbon dioxide decomposition apparatus according to the present embodiment (hereinafter referred to as the present decomposition apparatus) is used to decompose carbon dioxide and extract carbon from the carbon dioxide. It also functions as a fuel cell. That is, this decomposition apparatus can generate electric power while decomposing carbon dioxide. In other words, this cracking device is an electrochemical system in which hydrogen and carbon dioxide, which is the target of detoxification (decomposition), are continuously supplied from the outside as active materials to perform the desired operation. It can also be regarded as a static power generator.
[0030]
In addition, the hydrogen supplied to this decomposition | disassembly apparatus is a pure thing with which the pressure vessel was filled in the liquefied state or the squeezed state. However, if high purity products with almost no impurities such as carbon monoxide are obtained, reforming hydrocarbon fuels such as methanol, gasoline, LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), etc. Hydrogen obtained in this way may be used. On the other hand, about carbon dioxide, what was squeezed and filled in a pressure vessel or what was obtained by vaporizing dry ice is supplied. Therefore, in other words, the cracking apparatus is supplied with carbon dioxide, which substantially serves as an oxidant, together with hydrogen as a fuel. And the oxygen which comprises this carbon dioxide reacts with hydrogen, a carbon dioxide is decomposed | disassembled and carbon is taken out.
[0031]
The decomposition apparatus includes, as main components, a hydrogen ion permeable layer 1, a first insulating layer 2, a first electrode 3, a first support 4, a second insulating layer 5, a second electrode 6, and a first electrode. 2 support bodies 7 are provided. Among these, the laminated body A composed of the hydrogen ion permeable layer 1, the first insulating layer 2, and the second insulating layer 5 functions as an electrolyte layer in the fuel cell. That is, this laminate A transmits only hydrogen ions from left to right in the figure.
[0032]
More specifically, the hydrogen ion permeable layer 1 constituting the laminate A has a function of transmitting only hydrogen ions from one side facing each other to the other side. Here, the hydrogen ion permeable layer 1 As described above, a material made of a metal material is used. In other words, in the present embodiment, a material made of a palladium alloy is used as the metal material, but a magnesium / nickel alloy, a titanium alloy, a magnesium alloy, or the like can also be used.
[0033]
On the other hand, a first insulating layer 2 provided adjacent to the other surface side of the hydrogen ion permeable layer 1 and a second insulating layer provided adjacent to the same surface of the hydrogen ion permeable layer 1. Both layers 5 are made of a non-metallic material. That is, the metallic hydrogen ion permeable layer 1 is sandwiched between the first and second non-metallic insulating layers 2 and 5 from the left and right.
[0034]
Here, both the first insulating layer 2 and the second insulating layer 5 are made of fullerene (C ₆₀ ). More specifically, the first insulating layer 2 and the second insulating layer 5 are formed by uniformly dispersing fullerene in the liquid and applying it to the surface of the hydrogen ion permeable layer 1. Note that carbon nanotubes, which are also carbon-based materials, may be used instead of fullerenes. In addition, either one of the first insulating layer 2 and the second insulating layer 5 may be composed of such a carbon-based material, or other insulating material (non-metallic material) that is not carbon-based is used. Also good.
[0035]
Next, the first electrode 3 is provided on the other surface side of the hydrogen ion permeable layer 1 adjacent to the first insulating layer 2. On the other hand, the second electrode 6 is provided on one surface side of the hydrogen ion permeable layer 1 adjacent to the second insulating layer 5. Among these, the 1st electrode 3 is provided with the catalyst function which ionizes the oxygen which took away from the layer of the oxygen defect magnetite mentioned later. More specifically, the first electrode 3 is porous with platinum as a main component. Specifically, an alloy made of platinum and nickel is used. On the other hand, the second electrode 6 also has a catalytic function for ionizing hydrogen supplied as fuel. More specifically, the second electrode 6 has a porous and thin film shape mainly composed of platinum. Specifically, an alloy made of platinum and ruthenium (Ru) is used.
[0036]
A gap 4a is formed between the first support 4 and the first electrode 3 (precisely between the oxygen-deficient magnetite layer) for allowing carbon dioxide to be decomposed to flow into. It is provided as follows. Further, the second support 7 is also provided so as to form a gap 7 a for allowing hydrogen to flow between the second electrode 6 and the second electrode 6.
[0037]
In the present embodiment, the first support body 4 and the second support body 7 are both formed into a U-shaped cross section, thereby realizing such a mode. However, as the first support body 4 and the second support body 7, a structure in which a large number of grooves are formed on the surface facing the first electrode 3 or the second electrode 6 may be used. This also provides a space sufficient to allow carbon dioxide or hydrogen to flow in.
[0038]
Incidentally, in the present embodiment, the first support 4 is made of positive ceramics, specifically, barium titanate or the like. The first support 4 made of such a material generates heat when a voltage is applied by the power feeding circuit C, and the electrical resistance increases as the temperature rises, so that the temperature is within a certain range, It is kept almost constant.
[0039]
As described above, in the present embodiment, since the first support 4 has a role as a heater, it is made of positive ceramics. However, the second support 7 is made of the same material. May be. Or both may be comprised from the positive characteristic ceramics. Of course, other materials may be used.
[0040]
The first electrode 3 has a lead wire L for taking out electrical energy generated by a chemical reaction. ₁ Is connected. That is, the first electrode 3 functions as a negative electrode. The second electrode 6 also has a lead wire L for taking out electric energy generated by the chemical reaction. ₂ Is connected. That is, the second electrode 6 functions as a positive electrode.
[0041]
More specifically, since the illustrated laminated structure, that is, the carbon dioxide decomposition apparatus itself is stacked like a fuel cell, the first support 4 is indicated by a one-dot chain line in the figure. It will be in the state which contact | connected the support body (2nd support body) 7 'with which another apparatus is equipped. Further, the second support 7 is also in contact with a support (first support) 4 ′ included in another device indicated by a one-dot chain line in the drawing.
[0042]
In the present decomposition apparatus, as described above, the first electrode 3 is made of a porous material, but the surface of the first electrode 3 (the surface facing the first support 4). A layer made of oxygen-deficient magnetite, that is, an oxygen trapping layer 8 is formed. That is, the present decomposition apparatus further includes an oxygen trap layer 8 made of oxygen-deficient magnetite in addition to the above-described components. More specifically, in the first electrode 3, a plurality of concave stripes are provided on the surface on which the oxygen trapping layer 8 made of oxygen-deficient magnetite is formed, and the cross section has a comb shape. Therefore, the oxygen trap layer 8 is not flat and has a plurality of depressions corresponding to the above-mentioned recesses.
[0043]
The disassembling apparatus configured as described above functions as follows. Prior to the supply of hydrogen and carbon dioxide, the apparatus needs to be heated to a predetermined temperature. For this purpose, the heater function (rapid temperature raising system) of the first support 4 described above is used. With this heater function, the entire apparatus is always maintained at a predetermined temperature. In some cases, hydrogen may be supplied into the gap 4a to reduce the oxygen-deficient magnetite, and the preparatory work may be performed so that the degree of oxygen defects is sufficient.
[0044]
When the preparation is completed, hydrogen and carbon dioxide are subsequently supplied to the present decomposition apparatus as shown. Then, hydrogen comes into contact with the second electrode 6 and is ionized by the catalytic action of the second electrode 6. At that time, hydrogen emits electrons, which are connected to the lead electrode L connected to the second electrode 6. ₂ Flows into an external conduction path (external circuit) configured using
[0045]
The hydrogen ions or protons generated as described above are then transmitted through the laminate A composed of the hydrogen ion permeable layer 1, the first insulating layer 2, and the second insulating layer 5, so that the first electrode 3 To the existing side. Here, hydrogen ions meet oxygen, and further, lead L connected to the first electrode 3. ₁ , That is, the electrons supplied via the external conduction path (external circuit), and as a result, water (water vapor) is generated. By the way, accompanying such a series of chemical reactions, electrons move through the external conduction path, which of course means that a current flows through the external conduction path. Therefore, the present decomposition apparatus (more precisely, the assembly) operates the electrical equipment (motor in this embodiment) M connected thereto with high energy efficiency.
[0046]
By the way, when carbon dioxide is supplied to the first electrode 3 which is an oxygen electrode, that is, to the oxygen trap layer 8 made of oxygen defect magnetite maintained at about 300 ° C., this oxygen trap layer 8 (oxygen defect layer) Magnetite) quickly deprives carbon dioxide of the oxygen that makes it up and absorbs it. This eliminates the oxygen defect in the oxygen-deficient magnetite, which turns into a simple magnetite.
[0047]
However, while the apparatus is operating, as described above, hydrogen ions are constantly supplied to the first electrode 3 side through the hydrogen ion permeable layer 1. The hydrogen ions are combined with oxygen supplied from the first electrode 3 and immediately become water (water vapor). As described above, during this reaction, electrons move from the second electrode 6 (fuel electrode) located on the hydrogen supply side to the first electrode 3 (oxygen electrode). An electromotive force is generated due to the movement of electrons. That is, electric power is created.
[0048]
The oxygen capture layer 8 is provided on the surface of the first electrode 3 so as to be in contact therewith, but in the vicinity of the boundary surface between them, the oxygen contained in the magnetite supplemented with oxygen defects is always present. The phenomenon of being taken away by the first electrode 3 has occurred. This is because, as described above, the reaction in which hydrogen and oxygen are combined to produce water constantly occurs in the first electrode 3, in other words, the first electrode 3 always needs a new supply of oxygen. This is mainly due to the fact that the first electrode 3 strongly attracts oxygen.
[0049]
In this way, oxygen is deprived again from the magnetite in which oxygen defects are temporarily supplemented, so that the oxygen defect magnetite constituting the oxygen trapping layer 8 is temporarily removed as long as the device is in operation. Other than that, there will never be a permanent stable state supplemented with oxygen defects. That is, the oxygen-deficient magnetite takes oxygen from the carbon dioxide supplied to the first electrode 3 and continues to absorb it. In other words, oxygen-deficient magnetite repeatedly decomposes carbon dioxide into oxygen and carbon semipermanently (ie, detoxifies carbon dioxide), and oxygen is consumed by the device as an active material among these two products.
[0050]
Thus, the oxygen-deficient magnetite constituting the oxygen trapping layer 8 functions extremely effectively as a kind of catalyst, and as a result, a processing process cycle is established in the apparatus. Furthermore, with the series of reactions described above, carbon that has formed carbon dioxide is discharged as a residue, which is deposited on the surface of the oxygen trap layer 8 and gradually accumulates. Therefore, in practice, when the amount of deposited carbon reaches a certain value, an operation of removing it from the surface of the oxygen trap layer 8 is performed. Most of the carbon obtained in this way is “C”. ₂ And is particularly suitable as a raw material when synthesizing a substance formed by connecting carbon atoms in a soccer ball shape called “fullerene”.
[0051]
Generally speaking, the present decomposition device functions as a kind of fuel cell (that is, a power generation device). However, unlike a general fuel cell, hydrogen and carbon dioxide to be treated are supplied to the decomposition apparatus as equivalent to the active material of the fuel cell, not hydrogen and oxygen. Since the oxygen trap layer 8 made of oxygen-deficient magnetite effectively continues to deprive oxygen from carbon dioxide without interruption, as described above, the carbon dioxide can be efficiently detoxified (decomposed) without introducing enormous energy. Processing). In particular, carbon dioxide can be efficiently detoxified (decomposition treatment) so as not to adversely affect the environment while wasting electrical energy (electric power) without wasting very little energy.
[0052]
Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, the figure is a schematic sectional view showing the structure of the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present embodiment. In this embodiment, the basic technical idea, the basic structure of the apparatus, and the effects achieved by the apparatus are substantially the same as those in the first embodiment. Therefore, the following will focus on the differences between the two. In addition, the same components as those included in the apparatus according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those used above, and description thereof is omitted.
[0053]
The carbon dioxide decomposing apparatus according to the second embodiment is characterized in that a hydrogen ion permeable layer 10 made of a β-alumina ceramic material is used instead of a metal one. That is, in the fuel cell, the portion corresponding to the electrolyte layer is configured by using a β-alumina ceramic material in the present embodiment. However, since the ceramic itself is an insulating material, the insulating layer is not provided as in the first embodiment.
[0054]
Specifically, as a β-alumina-based material, 3Na ₂ O-16Al ₂ O ₃ And Na ₂ O-11Al ₂ O ₃ Etc. In addition, Na ₂ O-5Al ₂ O ₃ In addition, a material obtained by dissolving a sulfuric acid compound, a phosphoric acid compound, a chlorine compound, or the like is suitable for constituting the hydrogen ion permeable layer 10.
[0055]
The carbon dioxide decomposing apparatus according to the present embodiment configured as described above also functions in the same manner as the apparatus of the first embodiment, and efficiently detoxifies carbon dioxide (decomposing process) without supplying enormous energy. )it can. In particular, carbon dioxide can be efficiently detoxified (decomposition treatment) so as not to adversely affect the environment while wasting electrical energy (electric power) without wasting very little energy.
[0056]
【The invention's effect】
The carbon dioxide decomposing apparatus according to the present invention can efficiently detoxify (decompose) carbon dioxide without introducing enormous energy. In particular, the carbon dioxide decomposing apparatus according to the present invention can efficiently detoxify (decompose) carbon dioxide while supplying a small amount of energy, or conversely, creating energy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a carbon dioxide decomposition apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of a carbon dioxide decomposition apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Hydrogen ion permeable layer
2 First insulating layer
3 First electrode
4 First support
4a gap
5 Second insulating layer
6 Second electrode
7 Second support
7a gap
8 Oxygen capture layer (layer of oxygen-deficient magnetite)
A laminate
C Power supply circuit
L ₁ , L ₂ Lead
M Electrical equipment (motor)

Claims

An apparatus used for decomposing carbon dioxide and extracting carbon from the carbon dioxide,
A hydrogen ion permeable layer having a function of transmitting only hydrogen ions from one side facing each other to the other side;
A first electrode having a function of ionizing oxygen provided on the other surface side of the hydrogen ion permeable layer;
A first support provided to form a gap for allowing carbon dioxide to flow in between the first electrode;
A second electrode provided on one side of the hydrogen ion permeable layer and having a function of ionizing hydrogen;
A second support provided to form a gap for flowing hydrogen between the second electrode and the second electrode;
The carbon dioxide decomposing apparatus, wherein the first electrode is made of a porous material, and an oxygen trap layer made of oxygen-deficient magnetite is formed on the surface of the first electrode.

The hydrogen ion permeable layer is made of a metal material, and a first insulating layer made of a non-metal material is interposed between the hydrogen ion permeable layer and the first electrode, and The carbon dioxide decomposing apparatus according to claim 1, wherein a second insulating layer made of a non-metallic material is interposed between the hydrogen ion permeable layer and the second electrode.

The metal material constituting the hydrogen ion permeable layer is one selected from the group consisting of a magnesium / nickel alloy, a titanium alloy, a magnesium alloy, and a palladium alloy. The carbon dioxide decomposition apparatus according to claim 2.

4. The carbon dioxide decomposition according to claim 2, wherein the first insulating layer and / or the second insulating layer is composed of fullerenes or carbon nanotubes. 5. apparatus.

2. The carbon dioxide decomposition apparatus according to claim 1, wherein the hydrogen ion permeable layer is made of a [beta] -alumina ceramic material.

The surface on the side where the oxygen trapping layer made of oxygen-deficient magnetite is formed in the first electrode is provided with a plurality of concave stripes, according to any one of claims 1 to 5. Carbon dioxide decomposition equipment.

The first support is made of ceramics having a characteristic of generating heat when a voltage is applied and having an electrical resistance that increases with an increase in temperature. The carbon dioxide decomposing apparatus according to claim 6.