JP7773451B2 - 固定化システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、固定化システムに関する。

近年、地球温暖化対策の観点から、主要な温室効果ガスである二酸化炭素（ＣＯ_２）の固定化技術の開発が進められている。この二酸化炭素固定化技術の中で、化石資源や大気由来の二酸化炭素を固体炭素へ変換し、材料として有効利用すること、または、貯留して永続的に固定化することが検討されている。中でも大気由来のＣＯ_２を固体炭素にして貯留する試みは、地球上のＣＯ_２を吸収するネガティブエミッション技術の一つとして考えられ、注目を集めている。

米国特許１０４７９７３９号明細書

Ｒ．Ｄ．Ｇｒｅｅｎ ｅｔ． ａｌ， ＡＩＡＡ ２０１６－５４５４， インターネット<URL:https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2016-5454>

実施形態の発明が解決しようとする課題は、持続的に高い効率を有する固定化システムを提供することである。

実施形態の固定化システムは、アノードと、カソードと、アノードに面するアノード流路と、カソードに面するカソード流路と、を有する電解セルを含む電解部と、カソード流路から導入される第１の流体を含む第１の原料から触媒を用いて固体炭素を生成する第１の動作と、および、アノード流路から導入される第２の流体を含む第２の原料と、触媒に付着された固体炭素と、の反応により付着された炭素の少なくとも一部を触媒から除去する第２の動作と、を切り替えて行う反応部と、を具備する。

第１の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 図１に示す固定化システム１の構成例を示す模式図である。 炭素生成反応器１２２の構成例を示す模式図である。 触媒再生反応器１３１の構成例を示す模式図である。 第２の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 第３の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 反応器４００の構成例を示す模式図である。 第４の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 第５の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 第６の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 第７の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 第８の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 反応器５００の構成例を示す模式図である。 第８の実施形態の固定化システムの他の構成例を示す模式図である。 第８の実施形態の固定化システムの他の構成例を示す模式図である。 第９の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 第１０の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 第１１の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。 第１２の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。以下に示す各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。

なお、本明細書において、「接続する」とは、特に指定する場合を除き、直接的に接続することだけでなく、間接的に接続することも含む。

ＣＯ_２を固体炭素に変換する技術は、宇宙船内のＣＯ_２固定化技術として開発が進められ、電解と熱化学反応を組み合わせて、ＣＯ_２から炭素（Ｃ）へ変換するシステムが知られている。

例えば、水（Ｈ_２Ｏ）の電気分解により水素と酸素を製造し、得られたＨ_２とＣＯ_２を熱化学反応によりメタンを生成する。さらに、生成したメタンの分解反応により固体炭素を製造する方法が知られている。

また、固体酸化物型共電解セルで水とＣＯ_２から、ＣＯとＨ_２、Ｏ_２を製造し、ＣＯとＨ_２から固体炭素を製造する方法が知られている。

しかしながら、従来の二酸化炭素固定化システムは、酸素の利用が宇宙船内用途に限られていることや、炭素生成触媒の失活等による炭素成長の制限等の課題がある。

そこで、実施形態の固定化システムは、電解セルにより生成される酸素等の生成物を有効利用することにより、持続的に高い効率を実現する。実施形態の固定化システムの具体例について以下に説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図１に示す固定化システム１は、電解部１１と、炭素生成部１２と、触媒再生部１３と、を具備する。さらに、図２は、図１に示す固定化システム１の構成例を示す模式図である。

［電解部１１］
電解部１１は、図２に示すように、電解セル１０１と、マスフローコントローラー１２７と、加湿器１２８と、背圧弁１２９ａと、背圧弁１２９ｂと、気液分離器１３０ａと、気液分離器１３０ｂと、ポンプ１３３と、ガス導入口１３４と、ガス導入口１３５を有する。

電解セル１０１は、アノード１１１と、カソード１１２と、アノード１１１に面するアノード流路１１３を形成するアノード流路板１１４と、カソード１１２に面するカソード流路１１５を形成するカソード流路板１１６と、アノード１１１とカソード１１２との間の隔膜１１７と、集電板１１８と、集電板１１９と、締付板１２０と、締付板１２１と、を有する。

アノード流路１１３は、水を含む電解液をアノードに供給するように、アノードと接触させつつ流通させることができる。アノード流路板１１４は、電解液を導入するための導入口と、アノード溶液や生成物等を排出するための排出口と、を有するが、これらの図示を省略する。アノード流路１１３の導入口は、アノード溶液を供給するアノード供給流路１２３に接続される。アノード流路１１３の排出口は、Ｏ_２等の酸化反応により生成された生成物および電解液を排出するアノード排出流路１２４に接続される。

カソード流路１１５は、ＣＯ_２を含むガス等のカソードガスをカソードに供給するように、カソード１１２と接触させつつ流通させることができる。カソード流路板１１６は、カソードガスを導入するための導入口と、生成ガス等を排出するための排出口と、を有するが、これらの図示を省略する。カソード流路１１５の導入口は、カソードガスを供給するカソード供給流路１２５に接続される。カソード流路１１５の排出口は、還元反応により生成された生成物を含むガスを排出するカソード排出流路１２６に接続される。

アノード流路板１１４およびカソード流路板１１６は、締め付けのためのネジ穴等を有する。また、各流路板の前後には、図示を省略したパッキン等が必要に応じて挟み込まれる。

集電板１１８は、アノード１１１に電気的に接続される。集電板１１９は、カソード１１２に電気的に接続される。集電板１１８および集電板１１９は、電源に電気的に接続されている。

締付板１２０および締付板１２１は、アノード１１１、カソード１１２、アノード流路板１１４、カソード流路板１１６、隔膜１１７、集電板１１８、集電板１１９を挟んで固定する。なお、集電板１１８と締付板１２０との間および集電板１１９と締付板１２１との間には、図示を省略した絶縁板を必要に応じて挟んでもよい。

マスフローコントローラー１２７は、カソード供給流路１２５の途中に接続される。マスフローコントローラー１２７は、カソードガスの流量を所定の流量に制御する。

加湿器１２８は、カソード供給流路１２５の途中であって、マスフローコントローラー１２７と電解セル１０１との間に設けられる。加湿器１２８は、カソードガスを加湿する。加湿されたカソードガスは、還元反応の原料としてカソード流路１１５に供給される。これにより、隔膜１１７の乾燥やカソード流路１１５への塩の析出を抑制できる。

背圧弁１２９ａは、アノード排出流路１２４の途中に接続され、アノード流路１１３の圧力を制御する。背圧弁１２９ｂは、カソード排出流路１２６の途中に接続され、カソード流路１１５の圧力を制御する。背圧弁１２９ａおよび背圧弁１２９ｂにより、例えばアノード流路１１３とカソード流路１１５との間の圧力差（差圧）による隔膜１１７の破損を抑制できる。

アノード流路１１３の圧力およびカソード流路１１５の圧力は、カソードガスが液化しない値に調整されることが好ましく、具体的には０．１ＭＰａ以上６．４ＭＰａ以下の範囲内で調整されることが好ましい。アノード流路１１３の圧力およびカソード流路１１５の圧力が０．１ＭＰａ未満であると、ＣＯ_２の還元反応効率が低下するおそれがある。また、アノード流路１１３の圧力およびカソード流路１１５の圧力が６．４ＭＰａを超えるとＣＯ_２が液化し、ＣＯ_２の還元反応効率が低下するおそれがある。アノード流路１１３とカソード流路１１５との差圧は、０．５ＭＰａ以下とすることが好ましい。これにより、例えば隔膜１１７の破損を抑制できる。

気液分離器１３０ａは、アノード排出流路１２４の途中に設けられる。気液分離器１３０ａは、アノード流路１１３から排出される流体を液体と気体に分離する。分離された液体は、電解液を含む。分離された気体は、酸素等の酸化生成物を含む。分離された気体は、触媒再生部１３に送られる。分離された液体は、気液分離器１３０ａからポンプ１３３を介してアノード供給流路１２３に送られる。電解液は、アノード供給流路１２３、アノード流路１１３、アノード排出流路１２４、気液分離器１３０ａ、ポンプ１３３を介して循環される。気液分離器１３０ａは、外部から電解液を供給できるように導入口を有していてもよい。

気液分離器１３０ｂは、カソード排出流路１２６の途中に設けられる。気液分離器１３０ｂは、カソード流路１１５から排出される流体を液体と気体に分離する。液体は、例えば水を含む。気体は、例えば一酸化炭素等のガス状の還元生成物を含む。分離された還元生成物は、炭素生成部１２に送られる。分離された水は、気液分離器１３０ａや加湿器１２８に送られてもよい。これにより、分離された水を有効に活用できる。

ガス導入口１３４は、アノード排出流路１２４の途中に設けられる。ガス導入口１３４は、アノード排出流路１２４内に追加的に外部から酸素等の原料ガスの導入を可能にする。ガス導入口１３４は、必ずしも設けられなくてもよい。

ガス導入口１３５は、カソード排出流路１２６の途中に設けられる。ガス導入口１３５は、カソード排出流路１２６内に追加的に外部から一酸化炭素や二酸化炭素等の原料ガスの導入を可能にする。ガス導入口１３５は、必ずしも設けられなくてもよい。

コンプレッサー１３６は、アノード排出流路１２４の途中に設けられる。コンプレッサー１３６は、アノード排出流路１２４の圧力を調整できる。アノード排出流路１２４の圧力を調整することにより、各部での反応効率を向上させることができる。コンプレッサー１３６は、必ずしも設けられなくてもよい。

コンプレッサー１３７は、カソード排出流路１２６の途中に設けられる。コンプレッサー１３７は、カソード排出流路１２６の圧力を調整できる。カソード排出流路１２６の圧力を調整することにより、各部での反応効率を向上させることができる。コンプレッサー１３７は、必ずしも設けられなくてもよい。

温度調節器１３８は、アノード排出流路１２４の途中に設けられる。温度調節器１３８は、アノード排出流路１２４を流れる流体の温度を調整できる。アノード排出流路１２４を流れる流体の温度を調整することにより、各部での反応効率を向上させることができる。温度調節器１３８は、必ずしも設けられなくてもよい。

温度調節器１３９は、カソード排出流路１２６の途中に設けられる。温度調節器１３９は、カソード排出流路１２６を流れる流体の温度を調整できる。カソード排出流路１２６を流れる流体の温度を調整することにより、各部での反応効率を向上させることができる。温度調節器１３９は、必ずしも設けられなくてもよい。

電解セル１０１では、アノード１１１およびカソード１１２に電力を投入することにより、カソード１１２では二酸化炭素から主として一酸化炭素（ＣＯ）またはメタン（ＣＨ_４）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）等の炭化水素に変換される。また、カソード１１２では二酸化炭素の変換と同時に、水素を副反応として生起してもよい。アノード１１１では水や水蒸気から酸素が生成する反応が生じる。

電解セル１０１の方式としては、例えば、多孔質膜を有する隔膜１１７を用いた電解セル、固体酸化物形電解セル、固体高分子形電解セルを用いることができる。電解セル１０１の運転温度としては、多孔質隔膜を用いた電解セルや、固体高分子型電解セルは、２０℃以上９０℃以下の温度範囲での運転が好ましい。また、固体酸化物型電解セルでは７００℃以上９００℃以下の温度範囲での運転が好ましい。

カソード１１２にはＣＯ_２を含むガス等のカソードガスが供給される。この場合、カソードガスは、水蒸気を含むことができる。アノード１１１には水を含む溶液や水蒸気が供給される。また、電解質を含む水溶液を用いることもできる。電解質を含む水溶液（電解液）は、例えばリン酸イオン（ＰＯ_４ ^２－）、ホウ酸イオン（ＢＯ_３ ^３－）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カリウムイオン（Ｋ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、リチウムイオン（Ｌｉ^＋）、セシウムイオン（Ｃｓ^＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、塩化物イオン（Ｃｌ^－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）、水酸化物イオン（ＯＨ^－）等を含む水溶液を含む。

電解セル１０１は、生成ガス量を増大させるために複数のセルが積層されたセルスタックであってもよいし、さらに複数のセルスタックから構成されてもよい。

電解セル１０１内のカソード１１２およびアノード１１１で生成される物質および未反応の原料は、電解部１１からそれぞれ排出される。このうちカソード１１２で生成される物質は後段の炭素生成部１２に供給される。

固定化システム１は、電解部１１および炭素生成部１２間に、電解部１１から供給されるガス中の成分を炭素生成部１２での合成条件に適したガス成分比に調整するためのガス調整ユニットを有していてもよい。また、固定化システム１は、温度調節部や圧力調整部を有し、炭素生成部１２での合成条件に適した温度、圧力に制御してもよい。

アノード１１１で生成されるＯ_２を含むガスは、触媒再生部１３に供給される。なお、上記運転温度が低い多孔質膜を用いた電解セルや固体高分子型電解セルの電気化学反応の際に、カソード１１２に供給されたＣＯ_２ガスの一部がアノード１１１に移動し、アノード流路１１３の出口から排出される流体（アノード排気）がＣＯ_２を含む場合がある。このとき、電解部１１から排気されるアノード排気成分中のＣＯ_２を分離回収して、再度ＣＯ_２変換ユニットに供給するＣＯ_２原料として使用することができる。この場合分離回収を行う装置としては、ＣＯ_２分離回収ユニットであってもよいし、ＣＯ_２変換ユニットの後段に別途ＣＯ_２分離回収ユニットを設けてもよい。

固定化システム１は、電解部１１と触媒再生部１３との間に、電解部１１から供給されるガス中の成分を触媒再生部１３での反応条件に適したガス成分比に調整するためのガス調整ユニットを有していてもよい。また、固定化システム１は、温度調節部や圧力調整部を設けて、触媒再生反応に適した温度、圧力に制御してもよい。

電源から電解セル１０１に投入する電力は、通常の商用電源や電池等からの電力であってもよいし、また再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換して供給される電力であってもよい。このような電力の例としては、風力、水力、地熱、潮汐力等の運動エネルギーや位置エネルギーを電気エネルギーに変換して得られる電力、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子を有する太陽電池から生起される電力、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池や蓄電池等から生起される電力、音等の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置等から得られる電力が挙げられる。

カソード流路１１５に供給されるＣＯ_２は、特に限定されないが、例えばＣＯ_２排出源や大気から分離回収されたＣＯ_２が挙げられる。ＣＯ_２排出源は、例えば、火力発電所、バイオマス発電所等の発電設備や、鉄鋼工場、セメント工場、化学プラント工場、清掃工場等の産業施設が挙げられる。なお、バイオマス由来および大気由来のＣＯ_２を原料とする場合、地球上のＣＯ_２を固定化するシステムを形成し、カーボンネガティブを実現でき、高い環境的価値を実現できる。カソード１１２に供給されるＣＯ_２含有ガスのＣＯ_２濃度は、特に限定されないが、好ましくは５０％より大きく１００％以下、さらに好ましくは９０％以上１００％以下である。ＣＯ_２ガスの濃度が高いほど、後段のユニット群のエネルギー効率の向上や装置サイズの低減を図ることができる。

［炭素生成部１２］
炭素生成部１２は、カソード流路１１５の出口から供給される流体の少なくとも一部を含む原料から固体炭素を生成する。炭素生成部１２は、例えば図２に示すように、炭素生成反応器１２２を有する。

図３は、炭素生成反応器１２２の構成例を示す模式図である。炭素生成反応器１２２は、処理室２０１と、導入口２０２と、導入口２０３と、導出口２０４と、導出口２０５と、を有する。

炭素生成反応器１２２は、処理室２０１の内部に炭素生成反応を促進するための触媒を有する。触媒は、処理室２０１から取り外し可能である。触媒の例は、炭素粒子、金属粒子等が挙げられる。金属粒子等の触媒は、例えば無機材料や炭素材料に担持されて、処理室２０１の内部に配置されてもよい。金属粒子の種類としては、例えば鉄、ニッケル、コバルト、パラジウム、銅等の遷移金属であっても良いし、それらの合金であっても良い。また、遷移金属と炭素や窒素などが化合物をなした金属化合物であっても良いし、遷移金属とアルミナ、シリカなどが複合した金属酸化物であってもよい。処理室２０１の内部に配置される触媒は、粉体であってもよい。触媒は、ペレット等の成形品に成形して処理室２０１の内部に配置されてもよい。触媒は、基材等に担持されて処理室２０１の内部に配置されてもよい。基材の形状は、特に限定されないが、例えば板状、メッシュ状である。

導入口２０２は、カソード排出流路１２６に接続される。カソード排出流路１２６を流れる流体は、導入口２０２を介して処理室２０１に導入される。導入口２０２は、例えば処理室２０１に配管を接続することにより形成される。

導入口２０３は、触媒再生部１３に接続される。導入口２０３は、例えば処理室２０１に配管を接続することにより形成される。

導出口２０４は、触媒再生部１３に接続される。処理室２０１に配置される触媒は、導出口２０４を介して炭素生成反応器１２２から搬出される。導出口２０４は、例えば処理室２０１に配管を接続することにより形成される。

導出口２０５は、例えば処理室２０１の上部に設けられる。炭素生成反応器１２２から排出される気体は、導出口２０５を介して炭素生成反応器１２２から排出される。導出口２０５は、例えば処理室２０１に配管を接続することにより形成される。

導出口２０６は、処理室２０１に接続される。処理室２０１により生成された固体炭素は、導出口２０６を介して処理室２０１から排出される。導出口２０６は、例えば処理室２０１に配管を接続することにより形成される。

カソード生成物を含む流体は、導入口２０２を介して炭素生成反応器１２２に導入される。炭素生成反応器１２２は、導入された流体を原料として、下記反応式（１）、（２）、（３）の少なくとも一つの反応により固体炭素を生成する。ΔＨ^０ _２９８は、標準状態での反応熱である。
２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ_２（ΔＨ^０ _２９８＝－１７２ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（１）
ＣＯ＋Ｈ_２→Ｃ＋Ｈ_２Ｏ（ΔＨ^０ _２９８＝－１３１ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（２）
ＣＯ_２＋２Ｈ_２→Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ（ΔＨ^０ _２９８＝－９０ｋＪ／ｍｏｌ・・・（３）

カソード流路１１５の出口から排出される流体がメタンやエチレン等の炭化水素を含む場合、炭素生成反応器１２２は、下記反応式（４）および（５）のいずれかの反応により固体炭素を生成する。
ＣＨ_４→Ｃ＋２Ｈ_２・・・（４）
Ｃ_２Ｈ_４→２Ｃ＋２Ｈ_２・・・（５）

生成される固体炭素の例は、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、繊維状炭素、バックミンスターフラーレン、単層カーボンナノチューブ、または多層カーボンナノチューブが挙げられる。

上記反応に適した運転条件のために、炭素生成部１２は、炭素生成反応器１２２の温度、圧力を調整する、または処理室２０１内にプラズマを照射することにより反応を促進することができる。

触媒を用いて炭素生成反応を行う場合、触媒の表面に固体炭素が成長する。この成長過程において、固体炭素が触媒を被覆すると炭素生成反応が滞って触媒が失活する。

そこで、本実施形態の固定化システム１は、触媒再生部１３を用いて失活触媒を再生させる。失活触媒は、例えば図示しない搬送ロボット等の搬送装置を用いて炭素生成部１２と触媒再生部１３との間を搬送可能である。

処理室２０１に配置された触媒は、所望の炭素生成反応が進行した段階で、炭素生成反応器１２２に設けられた導出口２０４を介して触媒再生部１３により回収される。炭素生成反応器１２２は、触媒を補充できる注入口を有していてもよい。再生された触媒は、導入口２０３を介して炭素生成反応器１２２に搬入される。

炭素生成部１２は、炭素生成反応により生じるオフガスや未反応の原料ガスを炭素生成反応器１２２の上部に設けられた導出口２０５から系外に排出する。

［触媒再生部１３］
触媒再生部１３は、例えば図２に示すように、触媒再生反応器１３１を有する。

図４は、触媒再生反応器１３１の構成例を示す模式図である。触媒再生反応器１３１は、処理室３０１と、導入口３０２と、導入口３０３と、導出口３０４と、導出口３０５と、を有する。

触媒再生反応器１３１は、処理室３０１の内部に失活触媒を配置することが可能である。失活触媒は、処理室３０１から取り外し可能である。

導入口３０２は、アノード排出流路１２４に接続される。アノード排出流路１２４を流れる流体は、導入口３０２を介して処理室３０１に導入される。導入口３０２は、例えば処理室３０１に配管を接続することにより形成される。

導入口３０３は、炭素生成反応器１２２の導出口２０４に接続される。失活触媒は、炭素生成反応器１２２から導入口３０３を介して処理室３０１に導入される。導入口３０３は、例えば処理室３０１に配管を接続することにより形成される。

導出口３０４は、炭素生成反応器１２２の導入口２０３に接続される。処理室３０１で再生された触媒は、導出口３０４を介して炭素生成反応器１２２の処理室２０１に搬入される。導出口３０４は、例えば処理室３０１に配管を接続することにより形成される。

導出口３０５は、処理室３０１の上部に設けられる。触媒再生反応器１３１から排出される気体は、導出口３０５を介して触媒再生反応器１３１から排出される。導出口２０５は、例えば処理室２０１に配管を接続することにより形成される。

固定化システム１は、炭素生成反応器１２２と触媒再生反応器１３１との間に触媒を輸送可能な経路１４１を有する。経路１４１により各反応器間で触媒を輸送する。経路１４１は図２に示すように２つでもよいし、１つでもよい。

アノード生成物を含む流体は、導入口３０２を介して触媒再生反応器１３１に導入される。触媒再生反応器１３１は、炭素生成反応器１２２から導入される失活触媒を配置し、導入された流体を原料として用いて触媒再生反応を行う。触媒再生反応器１３１は、アノード流路１１３の出口から導入口３０２を介して導入される流体の少なくとも一部を用いて、炭素生成部１２から輸送される失活触媒の熱化学反応による再生処理を行う。触媒再生反応器１３１は、下記反応式（６）、（７）、（８）、（９）の少なくとも一つの反応を行い、触媒を被覆する炭素の少なくとも一部を除去する。ΔＨ^０ _２９８は、標準状態での反応熱である。

Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２（ΔＨ^０ _２９８＝－３９３．７８ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（６）
２Ｃ＋Ｏ_２→２ＣＯ（ΔＨ^０ _２９８＝－２２１．０ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（７）
Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ（ΔＨ^０ _２９８＝＋１７２．５８ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（８）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２（ΔＨ^０ _２９８＝＋１３１．３９ ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（９）

上記反応に適した運転条件のため、触媒再生部１３は、触媒再生反応器１３１の温度、圧力を調整することができる。

触媒再生部１３は、触媒再生反応により生じるオフガスを触媒再生反応器１３１の上部に設けられた導出口３０５から系外に排出する。失活触媒を再生することにより形成される再生触媒は、経路１４１を介して炭素生成反応器１２２に送られる。

所定の炭素生成反応が行われた後、触媒を含む固体炭素は系外へ排出される。排出経路は特に限定されないが、経路１４１中に設けてもよいし、炭素生成反応器１２２や触媒再生反応器１３１から排出してもよい。

以上のように、第１の実施形態によれば、炭素生成反応で失活した炭素被覆触媒は、電解セル１０１や水電解セルのアノードガスを用いて触媒再生部１３で再生処理が行われるため、持続的に高い効率を有する炭素生成反応の長期的な運転が可能となる。また、触媒再生部１３に用いるＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２の原料ガスを大気中から回収する等して別途準備する必要がないことや、電解セルのアノードガスを大気に排気することなくシステム内で有効利用できることから効率良く運転することができる。

（第２の実施形態）
図５は第２の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図５に示す固定化システムは、電解部１１と、炭素生成部１２と、触媒再生部１３、を具備する。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

［電解部１１］
電解部１１は、水電解セルを有する。水電解セルは、電解セル１０１と同様に、アノード１１１と、カソード１１２と、アノード１１１に面するアノード流路１１３を形成するアノード流路板１１４と、カソード１１２に面するカソード流路１１５を形成するカソード流路板１１６と、アノード１１１とカソード１１２との間の隔膜１１７と、集電板１１８と、集電板１１９と、締付板１２０と、締付板１２１と、を有する。

水電解セルは、アノード１１１およびカソード１１２に電力を供給することにより、水を原料として、カソード１１２では水素が生成し、アノード１１１では酸素が生成する反応が生じる。水電解セルの方式としては、アルカリ水電解、固体高分子形水電解や固体酸化物形水電解等を用いることができる。水電解セルは、生成ガス量を増大させるために複数のセルが積層されたセルスタックであってもよいし、さらに複数のセルスタックを具備する形態であってよい。

カソード１１２およびアノード１１１により生成されるガスは電解部１１からそれぞれ排出される。このうちカソード１１２により生成される物質は、炭素生成部１２に供給される。電解部１１および炭素生成部１２との間には、電解部１１から供給されるガス中の水分量を調節するための水分除去ユニットを設けることができる。また、電解部１１および炭素生成部１２間には、温度調節部や圧力調整部を設け、炭素生成部１２での合成条件に適した温度、圧力に制御してもよい。アノード１１１で生成される酸素を含むガスは、触媒再生部１３に供給される。電解部１１と触媒再生部１３と間には、電解部１１から供給されるガス中の水分量を調整するための水分除去ユニットや、触媒再生反応に適した温度、圧力に制御するための温度調節部や圧力調整部を設けてよい。

［炭素生成部１２］
炭素生成部１２は、図３に示すように、炭素生成反応器１２２を有する。炭素生成反応器１２２は、カソード流路１１５の出口から導入されるガスの少なくとも一部と、二酸化炭素を含むガスを用いて上記式（２）の反応により固体炭素を生成する。上記式（２）の反応に適した運転条件とするために、炭素生成反応器の温度、圧力を調整することができる。

［触媒再生部１３］
触媒再生部１３は、例えば図２に示すように、触媒再生反応器１３１を有する。触媒再生反応器１３１は、アノード流路１１３の出口から導入されるガスの少なくとも一部を用いて、炭素生成部１２から搬送される失活触媒の熱化学反応による再生処理を行う。触媒再生反応器１３１で上記式（６）、（７）、（９）の少なくとも一つの反応が生じることにより、触媒を被覆した炭素の少なくとも一部を除去する。反応に適した運転条件とするために、触媒再生反応器１３１の温度、圧力を調整することができる。

第２の実施形態によれば、炭素生成反応で失活した炭素被覆触媒は、水電解セルから排出される流体を用いて触媒再生部１３で再生処理が行われるため、持続的に高い効率を有する炭素生成反応の長期的な運転が可能となる。また、触媒再生部１３に用いるＯ_２、Ｈ_２Ｏの原料ガスを大気中から回収して別途準備する必要がないことや、水電解セルからの排出される流体を大気に排気することなくシステム内で有効利用できることから効率良く運転することができる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図６に示す固定化システムは、電解部１１と、ガス変換部１００と、炭素生成部１２と、触媒再生部１３を具備する。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

［ガス変換部１００］
ガス変換部１００は、ガス変換を行う反応器を有する。

図７は、ガス変換部１００の反応器の構成例を示す模式図である。反応器４００は、処理室４０１と、導入口４０２と、導出口４０３と、を有する。

反応器４００は、処理室４０１の内部に触媒を配置することが可能である。

導入口４０２は、カソード流路１１５に接続される。カソード流路１１５から排出される流体は、導入口４０２を介して処理室４０１に導入される。導入口４０２は、例えば処理室４０１に配管を接続することにより形成される。

導出口４０３は、炭素生成部１２に接続される。処理室４０１から排出される流体は、導出口４０３を介して炭素生成部１２に導入される。反応器４００は、二酸化炭素供給源に接続される。二酸化炭素供給源から供給される二酸化炭素を含むガスは、例えば導入口４０１を介して処理室４０１に導入される。導出口４０３は、例えば処理室４０１に配管を接続することにより形成される。

反応器４００は、電解部１１から導入されるカソードガス、および反応器４００に設けられた導入口４０４を介して二酸化炭素供給源から供給される二酸化炭素を含むガスを用い、投入された熱エネルギーを用いて下記の式（１０）で示す逆シフト反応を行う。
ＣＯ_２＋Ｈ_２ → ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ （１０）

反応器４００は、処理室４０１に封入された上記式（１０）の反応を効率的に生じる触媒を有し、所定の温度および所定の圧力で上記式（１０）の反応が生じる。処理室４０１の温度としては、６００℃以上、１０００℃以下が好ましく、処理室４０１の圧力としては、１気圧以上、１０気圧以下が好ましい。

反応器４００から排出された生成ガスおよび未反応原料は、炭素生成部１２に供給される。なお、ガス変換部１００と炭素生成部１２との間には、炭素生成反応が効率良く進行するために、温度調整、圧力制御、水分除去等が可能な機器を設置してもよい。

第３の実施形態によれば、炭素生成反応で失活した炭素被覆触媒は、電解部１１から排出される流体を用いて触媒再生部１３で再生処理が行われるため、持続的に高い効率を有する炭素生成反応の長期的な運転が可能となる。また、触媒再生部１３に用いるＯ_２、Ｈ_２Ｏの原料ガスを大気中から回収する等して別途準備する必要がないことや、電解部１１から排出される流体を大気に排気することなくシステム内で有効利用できることから効率良く運転することができる。

以下、第４ないし第１２の実施形態の説明で言及する第１の実施形態として便宜上電解セル１０１でＣＯの変換が生じる例について説明する。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図８に示す固定化システムは、第１の実施形態の固定化システムの構成例と比較して、炭素生成部１２から排出される物質が電解部１１に供給される点が異なる。炭素生成部１２は、例えば図３に示す導出口２０５が電解部１１のアノード流路１１３やカソード流路１１５に配管を介して接続されることにより、電解部１１に接続される。また、炭素生成反応器１２２に導出口２０５と異なる導出口を設け、アノード流路１１３やカソード流路１１５に接続してもよい。図８に示す固定化システムは、炭素生成部１２と電解部１１の間に特定の物質を分離回収する設備やパージ弁を有していてもよい。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

炭素生成部１２から排出される物質としては、上記式（１）、（２）に示す反応の副生成物であるＣＯ_２やＨ_２Ｏ、未反応の原料（ＣＯやＨ_２）を含む。第４の実施形態では、排気物質、または排気物質中から分離回収したＣＯ_２やＨ_２Ｏを、電解部１１のアノード流路１１３やカソード流路１１５に供給して再利用することができる。

（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図９に示す固定化システムは、第１の実施形態の固定化システムの構成例と比較して、炭素生成部１２から排出される物質が触媒再生部１３に供給される点が異なる。炭素生成部１２は、例えば図３に示す炭素生成反応器１２２の導出口２０５が図４に示す触媒再生反応器１３１の導入口３０２に配管を介して接続されることにより、触媒再生部１３に接続される。また、触媒再生反応器１３１に導入口３０２と異なる導入口を設け、炭素生成反応器１２２の導出口２０５に接続してもよい。図９に示す固定化システムは、炭素生成部１２と触媒再生部１３の間に特定の物質を分離回収する設備やパージ弁を有してもよい。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

炭素生成部１２から排出される物質としては、上記式（１）、（２）に示す反応の副生成物であるＣＯ_２やＨ_２Ｏ、未反応の原料（ＣＯやＨ_２）を含む。第５の実施形態では、炭素生成部１２の排気物質、または排気物質中から分離回収したＣＯ_２やＨ_２Ｏを、触媒再生部１３に供給して再利用することができる。

（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図１０に示す固定化システムは、第１の実施形態の固定化システムの構成例と比較して、触媒再生部１３から排出される物質が炭素生成部１２に供給される点が異なる。触媒再生部１３は、例えば図４に示す触媒再生反応器１３１の導出口３０５が図３に示す炭素生成反応器１２２の導入口２０２に接続されることにより、炭素生成部１２に接続される。また、触媒再生反応器１３１に導出口３０５と異なる導出口を設け、炭素生成反応器１２２の導入口２０２に接続してもよい。図１０に示す固定化システムは、炭素生成部１２と触媒再生部１３の間に触媒再生部１３から排出される流体中の特定の物質を分離回収する設備や流体の一部をシステム外に排気するパージ弁を有していてもよい。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

触媒再生部１３から排気される物質としては、式（６）、（７）、（８）、（９）に示す反応の副生成物であるＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２、未反応の原料（Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）を含む。第６の実施形態では、触媒再生部１３の排気物質、または排気物質中から分離回収した成分を、炭素生成部１２に供給して再利用することができる。

（第７の実施形態）
図１１は、第７の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図１１に示す固定化システムは、第１の実施形態の固定化システムの構成例と比較して、触媒再生部１３から排出される物質が電解部１１に供給される点が異なる。例えば図４に示す導出口３０３が電解部１１のアノード流路１１３やカソード流路１１５に接続されることにより、電解部１１に接続される。図１１に示す固定化システムは、電解部１１と触媒再生部１３の間に触媒再生部１３から排出される流体中の特定の物質を分離回収する設備や流体の一部をシステム外に排気するパージ弁を有していてもよい。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

触媒再生部１３から排気される物質としては、式（６）、（７）、（８）、（９）に示す反応の副生成物であるＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２、未反応の原料（Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）を含む。第７の実施形態では、触媒再生部１３の排気物質、または排気物質中から分離回収した成分を、電解部１１に供給して再利用することができる。

第４ないし第７の実施形態の固定化システムは、炭素生成部１２または触媒再生部１３から排出される物質をシステム内でリサイクルして原料の利用率を高めることができる。これにより原料コストの削減が可能となり、経済性に優れた固定化システムの提供が可能となる。

（第８の実施形態）
図１２は、第８の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図１２に示す固定化システムは、電解部１１と、炭素生成部１２と触媒再生部１３とを一体的に有する統合反応部１４と、切り替えバルブ１５１と、切り替えバルブ１５２と、を具備する。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

統合反応部１４は、炭素生成動作と、触媒再生動作と、を切り替えて行う反応器を有する。

図１３は、反応器の構成例を示す模式図である。図１３に示す反応器５００は、処理室５０１と、導入口５０２と、導入口５０３と、導出口５０４と、導出口５０５と、を有する。

反応器５００は、処理室５０１の内部に触媒を配置することが可能である。

導入口５０２は、カソード排出流路１２６に接続される。カソード排出流路１２６を流れる流体は、導入口５０２を介して処理室５０１に導入される。導入口５０２は、例えば処理室５０１に配管を接続することにより形成される。

導入口５０３は、アノード排出流路１２４に接続される。アノード排出流路１２４を流れる流体は、導入口５０３を介して処理室５０１に導入される。導入口５０３は、例えば処理室５０１に配管を接続することにより形成される。

導出口５０４は、処理室５０１に接続される。処理室５０１により生成された固体炭素は、導出口５０４を介して処理室５０１から排出される。導出口５０４は、例えば処理室５０１に配管を接続することにより形成される。

導出口５０５は、例えば処理室５０１の上部に設けられる。反応器５００から排出される気体は、導出口５０５を介して反応器５００から排出される。導出口５０５は、例えば処理室５０１に配管を接続することにより形成される。

切り替えバルブ１５１は、電解部１１のカソード排出流路１２６と反応器５００の導出口５０２とを接続する。

切り替えバルブ１５２は、電解部１１のアノード排出流路１２４と反応器５００の導出口５０２とを接続する。

以下、第８の実施形態の固定化システムの動作について説明する。

まず、電解部１１のカソード排出流路１２６を流れる流体を、切り替えバルブ１５２を通じて統合反応部１４の反応器５００に導入する。反応器５００は、所定の運転条件に調整することにより第１の実施形態と同様な炭素生成反応を行う。この場合、電解部１１のアノード排出流路１２４を流れる流体は、切り替えバルブ１５１を通じてシステム外に排出される。

炭素生成反応により反応器５００内の触媒に固体炭素が付着し、反応の進行に伴い固体炭素が触媒を被覆して触媒が失活することにより、炭素生成反応が停滞する。この場合、切り替えバルブ１５２の操作によりカソード排出流路１２６を流れる流体をシステム系外に排出して炭素生成反応を終了する。次に、切り替えバルブ１５１の操作によりアノード排出流路１２４を流れる流体を反応器５００内に導入する。反応器５００は、所定の運転条件に調整することにより第１の実施形態と同様に触媒再生成反応を行う。これにより、失活触媒を再生して活性化することができる。

再生処理を所定時間施した後、切り替えバルブ１５１の操作により、アノード排出流路１２４から排出される流体をシステム外に排出し、カソード排出流路１２６から排出される流体を反応器５００内に再度導入し、炭素生成反応を再度行う。このように炭素生成反応動作と触媒再生反応動作とを交互に切り替えて繰り返すことにより、炭素生成と触媒再生が反応器５００内に交互に進行し、持続的な炭素固定化を実現できる。最終的に所望の固定炭素を得た時点で、触媒を含む固体炭素は、反応器５００から排出される。

切り替えバルブ１５１および切り替えバルブ１５２の操作を行うにあたり、炭素生成反応や触媒再生反応の進行具合を把握する必要がある。この場合、統合反応部１４から排出される流体中の特定の成分の濃度を計測することにより把握可能である。統合反応部１４から排出される流体は、例えば、炭素生成反応や触媒再生反応の副生成物であるＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、未反応の原料（Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）を含む。

図１４は、第８の実施形態の固定化システムの他の構成例を示す模式図である。図１４に示す固定化システムは、図１２に示す固定化システムと比較して、計測部１５４を具備する点が異なる。

計測部１５４は、例えばガス濃度計を有する。炭素生成反応により例えば上記式（１）に示す反応が生じる場合、原料であるＣＯまたは副生成物のＣＯ_２の濃度を計測可能なガス濃度計を反応器５００の導出口５０５に接続し、継続的に導出口５０５でのガス濃度を監視する。炭素生成反応が停滞すると、ＣＯ濃度の増加、またはＣＯ_２濃度の低下が生じるため、経時的なガス濃度変化量を元に炭素生成反応が停滞する時間を判断できる。同様に、触媒再生反応により例えば上記式（６）に示す反応が生じる場合、原料のＯ_２、または副生成物のＣＯ_２の経時的なガス濃度変化量を元に触媒再生反応の終了時期を判断できる。

計測器としては、ガス濃度計以外に、重量計を用いることでも炭素生成反応や触媒再生反応の進行具合を把握可能である。重量計は反応器５００の重量を計測するために設置され、炭素生成反応による反応器５００の重量変化の程度や触媒再生反応による反応器５００の重量変化の程度を経時的に監視することにより、炭素生成反応の終了時期や触媒再生反応の終了時期の判断が可能となる。

なお、上記ガス濃度計、重量計を用いて炭素生成反応や触媒再生反応の進行具合を把握する形態は、第８の実施形態に限らず、他の実施形態に適用可能である。

さらに、上述のガス濃度計や重量計等の計測部１５４を反応検知部とし、反応検知部からの信号に基づき反応終了時期の判断や、切り替えバルブ１５１および切り替えバルブ１５２および反応器５００の動作を指示する制御部、切り替えバルブ１５１および切り替えバルブ１５２および反応器５００にそれぞれに設けられた調整部、を用いることにより、切り替えバルブ１５１および切り替えバルブ１５２の操作及び運転条件の変更が可能となり、システムの自動化が可能となる。

図１５は、第８の実施形態の固定化システムの他の構成例を示す模式図である。図１５に示す固定化システムは、図１３に示す固定化システムと比較して反応検知部１５５と、制御部１５６と、を具備する点が異なる。

反応検知部１５５は、反応器５００の導出口５０３でのガス濃度や反応器５００の重量を検出して検出信号となるデータ信号を生成し、データ信号を制御部に送信する。データ信号の送信方式は、有線方式であってもよいし、無線方式であってもよい。

制御部１５６は、反応検知部１５５と、切り替えバルブ１５１および切り替えバルブ１５２および反応器５００にそれぞれに設けられた調整部に接続されている。制御部１５６は、導出口５０３でのガス濃度や反応器５００の重量を示すデータ信号の要求基準を予め記憶しており、要求基準を満たした場合に調整部に制御信号を出力する。制御部１５６は、例えばプログラムやシミュレーションソフトを含むパーソナルコンピュータ（ＰＣ）やマイクロコンピュータ（マイコン）等のハードウェアで構成される。

切り替えバルブ１５１および切り替えバルブ１５２および反応器５００にそれぞれは、制御部１５６からの制御信号を受信し、切り替えバルブ１５１および切り替えバルブ１５２の切り替え動作や反応器５００の運転条件を調整部により調整する。反応器５００の場合、調整部は、例えば温度を調整するヒーター等の温度調整計や反応器５００内の圧力を調整する圧力制御機器で構成される。

第８の実施形態によれば、第１の実施形態に示される炭素生成部１２と触媒再生部１３との間の触媒の搬送が不要になるため、構成が簡便で小スペースかつ、低コストな固定化システムを提供できる。

（第９の実施形態）
図１６は、第９の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図１６に示す固定化システムは、電解部１１と、統合反応部１４ａと、統合反応部１４ｂと、切り替えバルブ１６１と、切り替えバルブ１６２と、を具備する。以下では、第８の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第８の実施形態の説明を適宜援用できる。

統合反応部１４ａおよび統合反応部１４ｂのそれぞれの構成は、統合反応部１４と同じであるため、統合反応部１４の説明を適宜援用できる。なお、統合反応部１４の数は、図１６に示す数に限定されない。

切り替えバルブ１６１は、電解部１１のアノード排出流路１２４と、統合反応部１４ａおよび統合反応部１４ｂのそれぞれの反応器５００の導入口５０３と、を接続する。

切り替えバルブ１６２は、電解部１１のカソード排出流路１２６と、統合反応部１４ａおよび統合反応部１４ｂのそれぞれの反応器５００の導入口５０２と、を接続する。

以下、第９の実施形態の固定化システムの動作について説明する。

まず、切り替えバルブ１６１および切り替えバルブ１６２の操作により電解部１１のカソード排出流路１２６を流れる流体を統合反応部１４ａの反応器５００に導入し、統合反応部１４ｂの反応器５００に導入しない。統合反応部１４ａの反応器５００は、所定の運転条件に調整することにより統合反応部１４ａの反応器５００で炭素生成反応を行う。この場合、電解セル１０１のアノード排出流路１２４を流れる流体は、切り替えバルブ１６１および切り替えバルブ１６２の操作により統合反応部１４ｂの反応器５００に導入され、統合反応部１４ａの反応器５００に導入されない。統合反応部１４ｂの反応器５００は、所定の運転条件に調整して触媒再生反応を行う。

統合反応部１４ａの反応器５００内での炭素生成反応、および統合反応部１４ｂの反応器５００内での触媒再生反応がともに終了した段階で、切り替えバルブ１６１および切り替えバルブ１６２の操作により、カソード排出流路１２６を流れる流体を統合反応部１４ａの反応器５００に導入せずに統合反応部１４ｂの反応器５００に導入し、アノード排出流路１２４を流れる流体を統合反応部１４ｂの反応器５００に導入せずに統合反応部１４ａの反応器５００に導入する。統合反応部１４ａの反応器５００は、運転条件を調整して触媒再生反応を行い、統合反応部１４ｂの反応器５００は、運転条件を調整して炭素生成反応を行う。

これらの動作を繰り返して、炭素生成反応と触媒再生反応とを反応器５００内に交互に進行し、持続的な炭素固定化を実現できる。統合反応部１４ａおよび統合反応部１４ｂで最終的に所望の固定炭素を得た時点で、触媒を含む固体炭素は、反応器５００から排出される。

第９の実施形態によると、複数の統合反応部を設けることにより、電解部１１で生成したガスをシステム外に排気せずに、連続的で、原料利用効率の高い運転を実現できる。

（第１０、１１の実施形態）
図１７は、第１０の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図１８は、第１１の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

第１０の実施形態の固定化システムは、炭素生成部１２と触媒再生部１３との間で熱交換を行う熱交換器、電解部１１と炭素生成部１２との間で熱交換を行う熱交換器、および電解部１１と触媒再生部１３との間で熱交換を行う第３の熱交換器からなる群より選ばれる少なくとも一つの熱交換器をさらに具備する。

図１７に示す固定化システム１は、第１の実施形態の固定化システムと比較して、炭素生成部１２から排出される流体と、アノード排出流路１２４から排出される流体と、の間で熱交換を行う熱交換器１７１を具備する点が異なる。

図１８に示す固定化システム１は、第１の実施形態の固定化システムと比較して、炭素生成部１２から排出される流体と、電解部１１のアノード流路１１３に供給される水（例えば加湿器１２８の水）との間で熱交換を行う熱交換器１７２を具備する点が異なる。

上記式（１）、（２）、（３）で表されるように炭素生成反応は発熱反応であり、炭素生成部１２で生じる熱をシステム内で有効利用できる。例えば、図１７で示すように触媒再生部１３に導入するアノード排出流路１２４から排出される流体の加熱に利用する、または、図１８に示すように電解部１１に導入する水の加熱に使用することができる。これにより、システムのエネルギー効率を高めることができ、高効率な固定化システムの提供が可能となる。

上記式（６）、（７）、（８）、（９）に表されるように、触媒再生部１３での反応は、その原料ガスの種類や組成に応じて発熱反応または吸熱反応に変化する。触媒再生部１３での反応が発熱反応となる条件下では、熱交換を利用して触媒再生反応器１３１で発生する熱を炭素生成部１２による炭素生成反応や電解部１１に導入される原料の加熱に利用することもできる。

触媒再生部１３の原料の種類や組成により、発熱・吸熱を任意に調整できる特徴を利用して、システム全体のエネルギー効率を最大化することも可能となる。例えば、アノード排出流路１２４から排出される流体中のＣＯ_２やＨ_２Ｏを選択的に触媒再生部１３に導入することにより触媒再生反応を吸熱反応にすれば、炭素生成反応は発熱反応であるため、図１７に示すような構成を備え、エネルギー効率が高いシステムを構成することができる。この観点から、アノード生成ガスとしてＣＯ_２を含みやすい多孔質隔膜電解セルや固体高分子型電解セルを電解セル１０１に用いることは、システム全体の高効率化にとって優位といえる。

（第１２の実施形態）
図１９は、第１２の実施形態の固定化システムの構成例を示す模式図である。図１９に示す固定化システムは、第１の実施形態の固定化システムと比較して、計測部１８１と、計測部１８２と、計測部１８３と、計測部１８４と、計測部１８５と、計測部１８６と、計測部１８７と、を具備する点が異なる。なお、第１２の実施形態の固定化システムは、計測部１８１、計測部１８２、計測部１８３、計測部１８４、計測部１８５、計測部１８６、および計測部１８７の少なくとも一つの計測器を有していればよい。以下では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、その他の部分については、第１の実施形態の説明を適宜援用できる。

計測部１８１は、電解部１１に導入される二酸化炭素等のカソードガスの流入量を計測できる。計測部１８１は、例えばカソード流路１１５の導入口に接続される。

計測部１８２は、電解部１１に導入される水等のアノード溶液の流入量を計測できる。計測部１８２は、例えばアノード流路１１３の導入口に接続される。

計測部１８３は、例えば電解部１１に供給される電力、熱量、燃料等のエネルギー源の量を計測できる。

計測部１８４は、炭素生成部１２から排出される流体の流出量を計測できる。計測部１８４は、例えば図３に示す炭素生成反応器１２２の導出口２０４に接続される。

計測部１８５は、例えば炭素生成部１２に供給される電力、熱量、燃料等のエネルギー源の量を計測できる。

計測部１８６は、触媒再生部１３から排出される流体の流出量を計測できる。計測部１８６は、例えば図４に示す触媒再生反応器１３１の導出口３０３に接続される。

計測部１８７は、炭素生成部１２から排出される固体炭素の流出量を計測できる。計測部１８７は、例えば図３に示す炭素生成反応器１２２の導出口２０６に接続される。

電解部１１から流出する物質、エネルギーとしては、カソード流路１１５から排出される流体、アノード流路１１３から排出される流体であったり、電解反応により電解セル１０１に生じる発熱量がある。また、定期交換となるセル部材や電解液等の消耗品も計測対象に含まれてもよい。

炭素生成部１２および触媒再生部１３でも電解部１１と同様に、導出入する物質、エネルギー量が計測される。導入される物質、エネルギー量としては、例えば、電解部１１や外部から供給される原料ガス、触媒再生部１３や外部から搬入される触媒、運転のための電力、熱、燃料がある。また、導出される物質としては、例えば、反応により排気される排ガスや、触媒再生部１３や外部に排出される触媒、反応により生じる熱量がある。

物質量を計測する計測器の例は、濃度計、流量計、質量計等を含む。エネルギー量を計測する計測器の例は、電力計、電流計、電圧計、温度計、流量計等を含む。

各計測部で計測された物質量、エネルギー量の計測データは、例えばパーソナルコンピュータ等の演算装置２に送信される。演算装置２は、固定化システム１に含まれていてもよい。演算装置２は、システムにおけるＣＯ_２排出量を算出する。演算処理の式は、特に限定されないが、例えば下記の式（１１）を用いて算出される。
ＣＯ_２排出量＝ΣＭ_{ＯＵＴ，ｉ}×Ｘ_ｉ，ＣＯ_２－ΣＭ_ＩＮ，ｊ×Ｘ_ｊ，ＣＯ_２・・・（１１）

Ｍ_{ＯＵＴ，ｉ}は、各計測部から流出する成分ｉ（物質量またはエネルギー）の量を表す。Ｘ_ｉ，ＣＯ_２は、成分ｉ（物質またはエネルギー）のＣＯ_２排出原単位を表す。Ｍ_ＩＮ，ｉは、各計測部から流入する成分ｊ（物質またはエネルギー）の量を表す。Ｘ_ｊ，ＣＯ_２は、成分ｊ（物質またはエネルギー）のＣＯ_２排出原単位である。

第１２の実施形態によれば、計測器と演算装置を用いることによりシステムのＣＯ_２排出量の定量化が可能となり、ＣＯ_２の排出量取引等のサービスに活用することができる。

なお、各実施形態は、適宜組み合わせることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

上記の実施形態を、以下の技術案にまとめることができる。
（技術案１）
アノードと、カソードと、前記アノードに面するアノード流路と、前記カソードに面するカソード流路と、を有する電解セルを含む電解部と、
前記カソード流路から導入される第１の流体を含む第１の原料から触媒を用いて固体炭素を生成する第１の動作、および、前記アノード流路から導入される第２の流体を含む第２の原料と、前記触媒に付着された固体炭素、の反応により前記付着された固体炭素の少なくとも一部を前記触媒から除去する第２の動作、を切り替えて行う反応部と、
を具備する、固定化システム。
（技術案２）
アノードと、カソードと、前記アノードに面するアノード流路と、前記カソードに面するカソード流路と、を有する電解セルを含む電解部と、
前記カソード流路の出口に接続され、触媒を用いて前記カソード流路から導入される第１の流体を含む原料から固体炭素を生成する第１の反応器を含む炭素生成部と、
前記アノード流路の出口に接続されるとともに、前記炭素生成部に接続され、前記アノード流路から導入される第２の流体に含まれる少なくとも一つの物質と、前記炭素生成部から導入される前記触媒に付着された炭素と、の反応により前記付着された炭素の少なくとも一部を前記触媒から除去する第２の反応器を含む触媒再生部と、
を具備する、固定化システム。
（技術案３）
アノードと、カソードと、前記アノードに面するアノード流路と、前記カソードに面するカソード流路と、を有する電解セルを含む電解部と、
前記カソード流路から導入される第１の流体を含む原料から触媒を用いて固体炭素を生成する第１の動作と、前記アノード流路から導入される第２の流体に含まれる少なくとも一つの物質と、前記触媒に付着された炭素と、の反応により前記付着された炭素の少なくとも一部を前記触媒から除去する第２の動作と、を切り替えて行う第３の反応器を含む反応部と、
前記カソード流路の出口と前記第３の反応器とを接続する第１の切り替えバルブと、
前記アノード流路の出口と前記第３の反応器とを接続する第２の切り替えバルブと、
を具備する、固定化システム。
（技術案４）
前記第１の流体は、二酸化炭素を含む、技術案１、技術案２、または技術案３に記載の固定化システム。
（技術案５）
前記原料は、二酸化炭素を含み、
前記二酸化炭素の少なくとも一部は、大気由来、バイオマス由来である、技術案２または技術案３に記載の固定化システム。
（技術案６）
前記第１の流体は、前記カソード流路を流れる二酸化炭素を前記カソードにより還元して生成された還元生成物を含む、技術案１ないし技術案５のいずれか一つに記載の固定化システム。
（技術案７）
前記炭素生成部に二酸化炭素を含むガスを導入する二酸化炭素供給源をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。
（技術案８）
前記電解セルは、二酸化炭素電解セルである、技術案１ないし技術案７のいずれか一つに記載の固定化システム。
（技術案９）
前記電解セルは、水電解セルである、技術案１ないし技術案７のいずれか一つに記載の固定化システム。
（技術案１０）
前記電解部と前記炭素生成部の間に設けられ、二酸化炭素と水素との逆シフト反応により一酸化炭素と水とを生成するガス変換部をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。
（技術案１１）
前記炭素生成部と前記電解部とを接続し、前記炭素生成部から排出される第３の流体の少なくとも一部を前記電解部に導入するための第１の流路をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。
（技術案１２）
前記炭素生成部と前記触媒再生部とを接続し、前記炭素生成部から排出される第３の流体の少なくとも一部を前記触媒再生部に導入するための第２の流路をさらに具備する技術案２に記載の固定化システム。
（技術案１３）
前記電解部と前記触媒再生部とを接続し、前記触媒再生部から排出される第４の流体の少なくとも一部を前記電解部に導入するための第３の流路をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。
（技術案１４）
前記炭素生成部と前記触媒再生部とを接続し、前記触媒再生部から排出される第４の流体の少なくとも一部を前記炭素生成部に導入するための第４の流路をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。
（技術案１５）
複数の前記反応部を具備する、技術案３に記載の固定化システム。
（技術案１６）
前記第１の反応器および前記第２の反応器からなる群より選ばれる少なくとも一つの反応器の出口に設けられたガス濃度計をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。
（技術案１７）
前記第１の反応器または前記第２の反応器の重量を計測する重量計をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。
（技術案１８）
前記炭素生成部と前記触媒再生部との間で熱交換を行う第１の熱交換器、前記電解部と前記炭素生成部との間で熱交換を行う第２の熱交換器、および前記電解部と前記触媒再生部との間で熱交換を行う第３の熱交換器からなる群より選ばれる少なくとも一つの熱交換器をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。
（技術案１９）
前記固定化システムに導入される物質量およびエネルギー量を計測する計測器と、
前記計測器の計測値から前記固定化システム全体の二酸化炭素の排出量を算出する演算装置と、をさらに具備する、技術案２に記載の固定化システム。

１…固定化システム、２…演算装置、１１…電解部、１２…炭素生成部、１３…触媒再生部、１４…統合反応部、１４ａ…統合反応部、１４ｂ…統合反応部、１００…ガス変換部、１０１…電解セル、１１１…アノード、１１２…カソード、１１３…アノード流路、１１４…アノード流路板、１１５…カソード流路、１１６…カソード流路板、１１７…隔膜、１１８…集電板、１１９…集電板、１２０…締付板、１２１…締付板、１２２…炭素生成反応器、１２３…アノード供給流路、１２４…アノード排出流路、１２５…カソード供給流路、１２６…カソード排出流路、１２７…マスフローコントローラー、１２８…加湿器、１２９ａ…背圧弁、１２９ｂ…背圧弁、１３０ａ…気液分離器、１３０ｂ…気液分離器、１３１…触媒再生反応器、１３３…ポンプ、１３４…ガス導入口、１３５…ガス導入口、１３６…コンプレッサー、１３７…コンプレッサー、１３８…温度調節器、１３９…温度調節器、１４１…経路、１５１…バルブ、１５２…バルブ、１５４…計測部、１５５…反応検知部、１５６…制御部、１５７…調整部、１６１…バルブ、１６２…バルブ、１７１…熱交換器、１７２…熱交換器、１８１…計測部、１８２…計測部、１８３…計測部、１８４…計測部、１８５…計測部、１８６…計測部、１８７…計測部、２０１…処理室、２０２…導入口、２０３…導入口、２０４…導出口、２０５…導出口、２０６…導出口、３０１…処理室、３０２…導入口、３０３…導入口、３０３…導出口、３０４…導出口、３０５…導出口、４００…反応器、４０１…処理室、４０２…導入口、４０３…導出口、４０４…導入口、５００…反応器、５０１…処理室、５０２…導入口、５０２…導出口、５０３…導入口、５０３…導出口、５０４…導出口、５０５…導出口。

Claims (8)

1. アノードと、カソードと、前記アノードに面するアノード流路と、前記カソードに面するカソード流路と、を有する電解セルを含む電解部と、
   前記カソード流路から導入される第１の流体を含む第１の原料から触媒を用いて固体炭素を生成する第１の動作、および、前記アノード流路から導入される第２の流体を含む第２の原料と、前記触媒に付着された固体炭素と、の反応により前記付着された固体炭素の少なくとも一部を前記触媒から除去する第２の動作、を切り替えて行う反応部と、
   を具備する、固定化システム。
2. アノードと、カソードと、前記アノードに面するアノード流路と、前記カソードに面するカソード流路と、を有する電解セルを含む電解部と、
   前記カソード流路から導入される第１の流体を含む原料から触媒を用いて固体炭素を生成する第１の動作と、前記アノード流路から導入される第２の流体に含まれる少なくとも一つの物質と、前記触媒に付着された炭素と、の反応により前記付着された炭素の少なくとも一部を前記触媒から除去する第２の動作と、を切り替えて行う第３の反応器を含む反応部と、
   前記カソード流路の出口と前記第３の反応器とを接続する第１の切り替えバルブと、
   前記アノード流路の出口と前記第３の反応器とを接続する第２の切り替えバルブと、
   を具備する、固定化システム。
3. 前記第１の流体は、二酸化炭素を含む、請求項１または請求項２に記載の固定化システム。
4. 前記原料は、二酸化炭素を含み、
   前記二酸化炭素の少なくとも一部は、大気由来、バイオマス由来である、請求項２に記載の固定化システム。
5. 前記第１の流体は、前記カソード流路を流れる二酸化炭素を前記カソードにより還元して生成された還元生成物を含む、請求項１または請求項２に記載の固定化システム。
6. 前記電解セルは、二酸化炭素電解セルである、請求項１または請求項２に記載の固定化システム。
7. 前記電解セルは、水電解セルである、請求項１または請求項２に記載の固定化システム。
8. 複数の前記反応部を具備する、請求項２に記載の固定化システム。