JP2005110543A - 水素発生装置および水素発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 嫌気性微生物を用いた水素発生の処理を簡易化する。
【解決手段】 水素発生装置１００は、有機性廃棄物１０３および有機性廃棄物１０３を分解して水素を発生させる嫌気性微生物（不図示）が収容される処理槽１０２と、処理槽１０２で発生した水素を回収する水素回収部１３０とを含む。水素発生装置１００は、さらに、処理槽１０２内に配設されたガストラップ１０４を含む。処理槽１０２には通気口１０５が設けられ、処理槽１０２は開放系とされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素発生装置および水素発生方法に関する。

近年の世界的な産業経済活動規模の拡大にともない、地球レベルでの環境破壊が重要な問題となっている。なかでも、地球温暖化問題は人類のみならず、地球そのものにも著しい悪影響を与えることが懸念されている。地球温暖化の直接的な原因は、近年の大量の化石燃料の燃焼に伴う二酸化炭素排出量の増加とされているため、二酸化炭素排出量を地球規模で継続的に削減することが急務である。また、近年の有機性廃棄物の増加に伴い、その焼却処理に伴う二酸化炭素やダイオキシン等の有害物質の発生の問題も深刻化しており、早急な対策が望まれている。

しかし二酸化炭素排出量の増加は多年にわたる経済活動の結果であるため、受け入れられるべき二酸化炭素排出量の削減方法は現行の経済活動を阻害しない方法でなければならない。

そこで、二酸化炭素の放出を抑制する新たな技術の探索、生物機能を利用した水素等のエネルギー源創生、二酸化炭素の固定・分解等の研究が必要となってきた。なかでも、水素は、燃料電池として高い効率で電気エネルギーへ変換できること、発熱量が石油の３〜４倍であること、燃焼後は水のみが生じるため、環境に何ら悪影響を及ぼさないこと等多くの利点を有している。

特許文献１には、嫌気性発酵により水素を生成させるバイオガス発生装置が開示されている。このようなバイオガス発生装置においては、嫌気性の微生物の働きにより、以下に示す化学式（１）に基づいて、酢酸、二酸化炭素、および水素が発生される。
Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６＋２Ｈ_２Ｏ → ２ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋２ＣＯ_２＋４Ｈ_２ （１）
特開２００１−１４９９８３号公報

ところで、従来、このような嫌気性発酵を用いる装置においては、発酵槽内を減圧したり、発酵槽内に二酸化炭素を吹き込んだりして発酵槽内を人為的に嫌気状態にして水素を発生させていた。しかし、上記化学式（１）の反応が行われると、水素や二酸化炭素が発生するため、微生物そのものの働きにより、槽内は自然に嫌気状態となる。そのため、完全な嫌気状態でなくても有機性廃棄物を分解することが可能な通性嫌気性の微生物を用いることにより、わざわざ手間やコストをかけて人為的に槽内を嫌気状態としなくても、上記化学式（１）の反応を促進させることができる。

また、槽内の水素分圧が高まりすぎると、水素の生物毒作用により、水素発酵が阻害されるという課題を有していた。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、簡易な処理で水素を発生させる水素発生装置、および水素発生方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、水素の発生効率を高めることにある。

本発明によれば、有機物と、該有機物を分解して水素を発生させる嫌気性微生物が収容される処理槽と、処理槽で発生した水素を回収する回収手段と、を含み、処理槽が開放系にされたことを特徴とする水素発生装置が提供される。

ここで、開放系にされたとは、何らかの手段で、外部と連通されたことをいう。本発明の水素発生装置によれば、処理槽内を人為的に嫌気状態にする手間を省くことができる。また、処理槽を開放系にすることにより、処理槽で発生した水素のうち、回収手段に回収されなかったものを処理槽外に排出することができ、処理槽内の水素分圧を低くすることができる。これにより、水素の触媒毒作用による水素発酵の阻害を防ぐことができる。そのため、水素の発生効率を高めることができる。

嫌気性微生物としては、完全な嫌気状態でなくても有機物を分解することが可能な通性嫌気性の微生物を用いることができる。このような微生物としては、たとえば、セルロース分解菌（Paenibacillus(Bacillus) polymyxa）、ペニバチルス・マセランス(P. macerans)、エンテロバクター・エロゲネス(Enterobacter aerogenes)やエンテロバクター・クロアカエ(Enterobacter cloacae)等のエンテロバクター属細菌、大腸菌(Escherichia coli)、クレブシエラ・ニューモニア(Klebsiella pneumoniae)、シュードモナス・スツッツェリ(Pseudomonas stutzeri)等が例示される。

有機物は、生ゴミ等を含む排水等の有機性廃棄物とすることができる。有機性廃棄物を利用することにより、コストを抑制しつつ、高エネルギー効率で水素を生産することが可能となる。また、同時に、排水中のＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）を低下させることができる。これにより、環境への負荷を低減することも可能となる。

本発明の水素発生装置において、回収手段は、処理槽内に配設されたガストラップとすることができる。

ガストラップを処理槽内に配設させることにより、処理槽で発生した水素を効率よく回収することができる。

本発明の水素発生装置は、処理槽の側壁に設けられ、処理槽内で発生した水素をガストラップに導くガイド部材をさらに含むことができる。

ガイド部材を設けることにより、処理槽内で発生した水素を効率よく回収することができ、水素回収率を高めることができる。

本発明の水素発生装置は、処理槽を開放系にする通気口と、通気口に設けられた通気膜と、をさらに含むことができる。

このような構成とすることにより、処理槽内の水素分圧を低減することができるとともに、処理槽を開放系としても、処理槽内にゴミや埃等が入るのを防ぐことができる。

本発明によれば、嫌気性微生物が収容された開放系の槽内で有機物を分解して水素を発生させる工程と、水素を回収する工程と、を含むことを特徴とする水素発生方法が提供される。

本発明の水素発生方法によれば、処理槽内を人為的に嫌気状態にする手間を省くことができる。また、処理槽内の水素分圧を低くすることができ、水素の触媒毒作用による水素発酵の阻害を防ぐことができる。

本発明によれば、簡易な処理で水素を発生させる水素発生装置、および水素発生方法が提供される。また、本発明によれば、水素の発生効率を高めることができる。

図１は、本発明の実施の形態における水素発生装置１００の構成を示す図である。
本実施の形態において、水素発生装置１００は、嫌気性微生物の働きにより水素を発生させ、水素を回収可能に構成される。水素発生装置１００は、処理槽１０２と、ガストラップ１０４と、攪拌体１０６と、注入口１０８と、排出口１１０と、温度調整部１１２と、配管１１４と、屋根１１６と、を含む。

処理槽１０２内には、水素生成能を有する通性嫌気性の微生物（不図示）が導入されている。通性嫌気性の微生物としては、通性嫌気性細菌であるセルロール分解菌（Paenibacillus(Bacillus) polymyxa）、ペニバチルス・マセランス(P. macerans)、エンテロバクター・エロゲネス(Enterobacter aerogenes)やエンテロバクター・クロアカエ(Enterobacter cloacae)等のエンテロバクター属細菌、大腸菌(Escherichia coli)、クレブシエラ・ニューモニア(Klebsiella pneumoniae)、シュードモナス・スツッツェリ(Pseudomonas stutzeri)等が例示される。また、通性嫌気性の微生物とともに、クロストリジウム属(Clostridium)等の絶対嫌気性菌を併用して用いることもできる。

また、処理槽１０２内には、注入口１０８から有機性廃棄物１０３が導入される。上記の通性嫌気性の微生物は、注入口１０８から導入された有機性廃棄物を上記化学式（１）に示したように分解し、水素を発生させる。また、排出口１１０からは残渣が排出される。水素発生装置１００において、注入口１０８から連続的に有機性廃棄物を導入し、排出口１１０から連続的に残渣を排出して連続処理を行うことができる。

ガストラップ１０４は、処理槽１０２内で発生した水素を含むガスを捕捉し、捕捉したガスを配管１１４を介して水素回収部１３０に導入する。ガストラップ１０４は、効率よくガスを吸収するように、適度な引力でガスを吸引する機能を有する。たとえば、ガストラップ１０４は、処理槽１０２内の圧力よりも圧力が低くなるように構成することができる。ガストラップ１０４の詳細な構成については後述する。

また、処理槽１０２上部には処理槽１０２を開放系にする通気口１０５が設けられる。ガストラップ１０４によって回収されなかった水素やその他のガスが通気口１０５から排出される。これにより、処理槽１０２中の水素分圧を低下することができる。また、このように処理槽１０２を開放系にすることにより、水素発生装置１００の構成を簡易にすることができる。通気口１０５には、ポアフィルタや通気性を有する布等の通気膜を設けることができる。これにより、ゴミや埃等が処理槽１０２内に入るのを防ぐことができる。また、処理槽１０２を屋外等に配置する場合、屋根１１６を設けることにより、雨水等が処理槽１０２内に入り込むのを防ぐことができる。処理槽１０２を室内や筐体内等に設置する場合は、屋根１１６を設けない構成とすることもできる。

攪拌体１０６は、処理槽１０２内に導入された微生物や有機性廃棄物を攪拌する。これにより、処理槽１０２内の微生物による反応を均等に効率よく行わせることができる。また、処理槽１０２内で発生した水素を効率よくガストラップ１０４により捕捉させることができ、処理槽１０２内の水素分圧を低くすることができる。

水素発生装置１００は、さらに、ｐＨセンサ１１８と、温度センサ１２０と、ｐＨ調整部１２２と、ポンプ１２４と、温度調整部１１２と、制御部１２６とを含む。ｐＨセンサ１１８は、処理槽１０２内のｐＨを測定する。温度センサ１２０は、処理槽１０２内の温度を測定する。これらの測定結果は制御部１２６に入力される。ｐＨ調整部１２２には、たとえばｐＨ調整液が収容されており、ポンプ１２４を制御することにより、処理槽１０２内にｐＨ調整液が導入されるように構成される。温度調整部１１２は、たとえばヒータやクーラー等である。

制御部１２６は、処理槽１０２内のｐＨおよび温度に応じて、ｐＨ調整部１２２および温度調整部１１２を制御し、処理槽１０２内のｐＨおよび温度を適切に保つ。処理槽１０２内のｐＨおよび温度は、用いる微生物の種類によって適宜設定されるが、たとえば、ｐＨ５〜６、温度２５℃〜３０℃とすることができる。なお、ここでは制御部１２６が処理槽１０２内のｐＨおよび温度を制御するとして説明したが、処理槽１０２内のｐＨおよび温度は、手動により調整することももちろん可能である。

図２は、ガストラップ１０４の構成を示す断面図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、ガストラップ１０４は、処理槽１０２内で移動可能に設けられる。これにより、処理槽１０２内に導入された微生物による発酵状態に応じてガストラップ１０４の位置を変えることができる。ガストラップ１０４の位置の調整は手動で行うこともできるが、制御部１２６により制御する構成とすることもできる。

図３は、処理槽１０２の他の例を示す断面図である。水素発生装置１００は、図１に示した構成に加えて、処理槽１０２の側壁に設けられ、処理槽１０２内で発生した水素をガストラップ１０４に導くガイド１３２をさらに含むことができる。これにより、ガストラップ１０４と処理槽１０２の壁面との隙間を埋めることができ、水素の回収率を高めることができる。

図４は、処理槽１０２のまた他の例を示す断面図である。ガストラップ１０４は、図４に示すように、処理槽１０２の大きさに比べて小型のトラップを複数含む構成とすることもできる。ここで、小型のトラップは、処理槽１０２内で縦方向および横方向に分散して配置される。また、これらは処理槽１０２内で縦方向および横方向に移動可能に設けることもできる。このようにすれば、処理槽１０２内で発生した水素を均等に回収することができ、水素の回収率を高めることができる。また、複数の小型トラップに回収されなかった水素をこれらの隙間から逃して通気口１０５を介して外部に放出することができるので、処理槽１０２内の水素分圧を下げることもできる。

図５は、水素回収部１３０の構成の一例を具体的に示すブロック図である。
ガストラップ１０４により捕捉された水素を含むガスは、主に以下で説明する二通りの経路により、燃料電池に供給することができる。

まず、第一の経路として、ガスは、脱水処理部１３４に導入される。脱水処理部１３４において、たとえばシリカゲルや硫酸処理によりガス中の水分が除去される。ついで、ガスは、ガス分離部１３６に導入される。ガス分離部１３６において、二酸化炭素等が除去される。ガス分離部１３６には、水素を選択的に分離することのできるたとえば芳香族ポリイミド等により構成されたガス分離膜が設けられる。これにより、ガス分離部１３６で純度の高い水素を分離して得ることができる。このようにして純度が高められた水素が燃料電池１３８に供給される。また、ガス分離部１３６で分離された水素は、圧縮され、水素ボンベ１４０に充填することもできる。

第二の経路として、処理槽１０２で発生した水素は、天然ガスと同様に改質機１４４により改質した後に燃料電池１３８に供給することもできる。この場合、ガストラップ１０４により捕捉されたガスは、天然ガスのガス管１４２に導入され、ガス管１４２を介して改質機１４４に導入される。なお、上述した脱水処理部１３４およびガス分離部１３６を通過させた後のガスを改質機１４４に導入する構成とすることもできる。

また、ガス分離部１３６で水素から分離された二酸化炭素等の排ガスは、排ガス管１４６を介してガストラップ１０４の上部に再導入することができる。これにより、処理槽１０２内の水素分圧を低減することができる。

図６は、水素発生装置１００に導入される有機性廃棄物の前処理を行う前処理部の一例を示す図である。
前処理部１は、ディスポーザ２００、沈殿分離槽７００、固液分離装置４００およびコンポスト装置６００により構成される。

前処理工程を説明する。前処理部１において、有機性廃棄物は、固形分と液体分とに分離される。
ディスポーザ２００には、食品廃棄物（生ゴミ）等の有機性廃棄物および排水が導入される。有機性廃棄物はディスポーザ２００により粉砕され、沈殿分離槽７００および固液分離装置４００により固形分と液体分とに分離される。液体分（ＢＯＤ５５００ｍｇ／Ｌ程度）は、水素発生装置１００に導入される。一方、固形分はコンポスト装置６００によりコンポスト化され、たとえば堆肥として利用される。

上記ディスポーザ２００による処理の代わりに、粉砕処理や低分子化処理（熱、酸化分解等）等を採用してもよい。また、前処理部１に固液分離装置４００を用いず、破砕、粉砕によって食品廃棄物をスラリー状にしたものを水素発生装置１００に導入することも可能である。

次に、本実施の形態における水素発生装置１００の所定手順を図７を参照して説明する。
まず、食品廃棄物等の有機性廃棄物を前処理する（Ｓ１００）。つづいて、前処理した有機性廃棄物を処理槽１０２に導入する。処理槽１０２内には、水素生成能を有する通性嫌気性の微生物が導入されており、この微生物の働きにより有機性廃棄物が分解され、上記化学式（１）に示したように、水素が発生される（Ｓ１０２）。ガストラップ１０４により水素を含むガスが捕捉され、捕捉された水素を含むガスは、改質処理を行った後（Ｓ１０４）、または改質処理を行わず、燃料電池に供給される（Ｓ１０６）。

本実施例では、有機性廃棄物として生ゴミを、微生物としてエンテロバクター・エロゲネス(Enterobacter aerogenes)を使用した例を示す。

図１に示した構成の水素発生装置１００を用いて水素の発生を観測した。水素回収部１３０としては、図５に示した構成のものを用い、ガス分離部１３６を通過したガスを測定対象とした。

培地としては、以下のＧＰ培地を用い、ｐＨ６．０、温度３０℃とした。
ＧＰ培地（１リットル）：グルコース １０ｇ、ポリペプトン ２０ｇ、ＫＨ_２ＰＯ_４ ２ｇ、イーストエクストラクト（Yeast Extract） ０．５ｇ、およびＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ ０．５ｇ

この結果、処理槽１０２から効率よく水素が回収された。

本発明の実施の形態における水素発生装置の構成を示す図である。 ガストラップの構成を示す断面図である。 処理槽の他の例を示す断面図である。 処理槽のまた他の例を示す断面図である。 水素回収部の構成の一例を具体的に示すブロック図である。 水素発生装置に導入される有機性廃棄物の前処理を行う前処理部の一例を示す図である。 水素発生装置の所定手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 前処理部、 １００ 水素発生装置、 １０２ 処理槽、 １０３ 有機性廃棄物、 １０４ ガストラップ、 １０５ 通気口、 １０６ 攪拌体、 １０８ 注入口、 １１０ 排出口、 １１２ 温度調整部、 １１４ 配管、 １１６ 屋根、 １１８ ｐＨセンサ、 １２０ 温度センサ、 １２２ ｐＨ調整部、 １２４ ポンプ、 １２６ 制御部、 １３０ 水素回収部、 １３２ ガイド、 １３４ 脱水処理部、 １３６ ガス分離部、 １３８ 燃料電池、 １４０ 水素ボンベ、 １４２ ガス管、 １４４ 改質機、 ２００ ディスポーザ、 ４００ 固液分離装置、 ６００ コンポスト装置、 ７００ 沈殿分離槽。

Claims (5)

1. 有機物と、該有機物を分解して水素を発生させる嫌気性微生物が収容される処理槽と、
   前記処理槽で発生した水素を回収する回収手段と、を含み、
   前記処理槽が開放系にされたことを特徴とする水素発生装置。
2. 前記回収手段は、前記処理槽内に配設されたガストラップであることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記処理槽の側壁に設けられ、前記処理槽内で発生した水素を前記ガストラップに導くガイド部材をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
4. 前記処理槽を開放系にする通気口と、
   前記通気口に設けられた通気膜と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の水素発生装置。
5. 嫌気性微生物が収容された開放系の槽内で有機物を分解して水素を発生させる工程と、
   前記水素を回収する工程と、
   を含むことを特徴とする水素発生方法。

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