JP2006169053A - 水素ガス製造方法及び製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、廃棄物（生ごみ）、バイオマスなどを処理して水素を効率よく生成することを目的としたものである。
【解決手段】 この発明は、生廃棄物を微生物処理して得たメタンガスを触媒反応炉に供給すると共に、該触媒反応炉へゼットガス炎を吹き込んで高温加熱して高温融合ガスを生成し、この高温融合ガスを熱交換した後、ガスバリア膜を利用して水素を回収し、燃料電池用水素ガスを作ることを特徴とした水素ガス製造方法により目的を達成した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、バイオガス又はバイオマスとゼットガスを利用して水素ガスを連続かつ多量に生産することを目的とした水素ガス製造方法及び製造システムに関する。

従来水素は、水の電気分解により生じた水素ガスを回収するか、水素化合物の分解により生じた水素ガスを回収していた。
特開平１１−２４６９８４ 特許第３３８９２１１号 特開平１１−１６９８２７

従来の水素ガス製造は、水を電気分解して得た水素ガスを回収したり、水素化合物を分解して得た水素ガスを回収していたので、生成費が高騰することになった。

また、生ごみ等の有機物をディスポーザーで粉砕して、これを固形分と排水とに分離した後、固形分を発酵分解してコンポスト化し、排水をメタン発酵させてメタンガスを発生させ、このメタンガスを燃料としてガスエンジンと発電機により電気を得る方法の提案がある。

然るにこの発明は、産業廃棄物の処理に際して生成されるガス中から水素を分離するので、資源の再利用に相当し、外界の汚染防止と、環境保全と共に、資源の再利用により有効なエネルギーを効率よく得ることに成功したのである。

即ち廃棄されていた物を再利用し、事実上廃棄物を０に近付けるもので、きわめて有用である。

この発明の方法は、生廃棄物を微生物処理して得たメタンガスを触媒反応炉に供給すると共に、該触媒反応炉へゼットガス炎を吹き込んで高温加熱して高温融合ガスを生成し、この高温融合ガスを熱交換した後、ガスバリア膜を利用して水素を回収し、燃料電池用水素ガスを作ることを特徴とした水素ガス製造方法であり、生廃棄物を、家庭の生ごみ、茶、コーヒーの絞り粕、ビール絞り粕、食品残滓などの産業上の生廃棄物とするものである。

また、木屑、もみ殻などの有機廃棄物と加熱水蒸気との混練物をガス化炉に投入して、これをゼットガス炎で燃焼させ、分解により生じたバイオガスを熱交換して熱交換により生じた水蒸気は、前記加熱水蒸気として供給し、温度の低下したバイオガスは反応筒に入れて二酸化炭素を固定し、残余の気体からガスバリア膜を利用して水素ガスを分離し、燃料電池用水素ガスを作ることを特徴とした水素ガス製造方法であり、反応筒は、カルシウム剤を入れて二酸化炭素を炭酸カルシウムにして固定するものであり、生廃棄物の微生物処理は、生廃棄物をスラリー化して発酵槽に入れてメタン菌を加え、ＰＨが７以上になるようにすると共に、ＯＲＰ（酸化還元電位）が−５００〜−８００ｍＶ以上になるように調整するものである。

この発明のシステムは、生廃棄物を用いたバイオガス生成手段と、ゼットガス生成手段と、触媒反応炉と、水素分離筒とを組み合せたことを特徴とする水素ガス製造システムであり、バイオガス生成手段は、生廃棄物にメタン菌を混入してメタンガスを生成させる発酵槽としたものである。

また、バイオマスと水蒸気の混練物生成手段と、ゼットガス生成手段と、ガス化炉と、熱交換器と、反応筒と、水素ガス槽とを組み合せたことを特徴とする水素ガス製造システムであり、ゼットガス生成手段は、水の電気分解装置としたものである。

前記発明において、メタンガス生成と、ゼットガス生成は、従来知られた技術であるが、この発明は、前記公知の技術を組み合せることにより水素の生成を一層効率よくすると共に、生廃棄物の処理による残渣を限りなく０に近付ける利点がある。

更に、前記処理に際し、有害排気は一切放出しないので、環境にやさしく、かつ生成した水素ガスによって発電すれば、ゼットガス生成時に使用する電力を得ることができる。従って処理に際し、独立した自己完結型になるのみならず、余剰水素（又は電力）は有効利用できる利点もある。

更に水素エンジンを利用して自動車を走行させれば、石油燃料の不足を補い、かつ石油燃料による大気汚染を有効に防止することができる。即ち水素エンジンの排気は水蒸気となるからである。

前記において使用するゼットガスは、逆浸透膜を通して電気分解すれば、雨水、工業用水又は水道水を使用することができる。即ちゼットガスは前記水を電気分解して、水素ガスと酸素ガスを生成し、これを混合したものである。

ゼットガスの燃焼は、気体から液体への相変化であるから、通常の爆発現象（Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ）は発生せず、擬爆現象（Ｉｍｐｌｏｓｉｏｎ）が起こる。Ｉｍｐｌｏｓｉｏｎでは、熱源の周囲に真空が発生するが、外部へエネルギーが拡散しない為安全である。

また水素ガスと酸素ガスの混合気体の為、空気中へ漏出しても環境悪化のおそれがなく、かつ拡散すれば燃焼のおそれもない。また当然のこと乍ら、燃焼によって水になるので、有害物質の排出は皆無である。

ゼットガス炎を対象物に照射すると超高温（１０００℃〜４０００℃）となり、総ての物を溶解するけれども、他物に移るおそれはない。またゼットガス自体が酸素を保有しているので、空気のない場所でも燃焼を継続する。更にゼットガスは表１のような特性をもっている。

前記のように、ゼットガスは、化石燃料又は化石ガスに比し特性を有するので、目的物を目的温度に加熱し、しかも公害物を出さないので、金属の精製の熱源として最適である。

この発明によれば、生廃棄物を有効処理し、残渣を限りなく０に近付けると共に、環境汚染を皆無（発電、エンジンの有害物の排気なし）にできる効果がある。

また水素を効率よく、かつ生廃棄物から大量に生産できる効果がある。

更に生廃棄物の処理に際し、外部エネルギーを使用することなく、自己完結型を達成できる効果がある。

この発明は、生廃棄物をスラリー化して、メタン菌と共に発酵槽に入れ、メタン菌の活性化を図って効率よくメタンを発生させ、前記メタンとゼットガスとを触媒反応炉に吹き込んで高温燃焼させることにより、融合ガスを生成する。

前記で生じた融合ガスを熱交換した後、半透膜により水素を分離し、その排気から二酸化炭素を分離して炭素を固定した後、無害な水蒸気を放出する。

前記分離した水素は、燃料電池又は水素エンジンの燃料に使用する。

また他の発明は、木屑、もみ殻などのバイオマスを加圧水蒸気と共に混練してガス化炉（反応炉）へゼットガスと共に吹き込み、ゼットガスを燃焼して高温加熱することにより、バイオマスを熱分解した後、その高温排気を熱交換し、その冷却排気から水素を分離すると共に、二酸化炭素を分離する。

前記熱交換により熱水は、圧縮器で圧縮し、加圧水蒸気としてバイオマスに噴射混練する。

生ごみをディスポーザーなどで粉砕し、メタン菌と共に発酵槽に入れてメタンガスを発生させ、これを触媒反応炉内へ送入する。

一方水を電気分解して得たゼットガスに点火し、ゼットガス炎を前記触媒反応炉に吹き込み、高温融合ガス（例えば５００℃〜９００℃）を生成する。

ついで熱交換し、冷却された（例えば１００℃〜２００℃位）排気ガス水素と、残余気体に分離し、水素は水素分配器又は水素貯留室に入れ、燃料電池又は水素エンジンの燃料として使用する。

前記水素を分離した排気にカルシウムを作用させて炭酸カルシウムとして取り出し、残った水蒸気は外界へ放出する。

前記メタンガスは、ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏの混合物であり、ゼットガスは２Ｈ_２＋Ｏ_２であって、燃焼により水を生成する。

前記実施例の水素生成システムは、触媒反応炉１へバーナー２を介して、ゼットガス発生器３で発生したゼットガスを吹き込む。

一方生ごみ４をディスポーザーなどで粉砕して発酵槽５に投入すると共に、メタン菌を投入する。

前記反応炉で生成した融合ガス（例えば２００℃〜４００℃）は、熱交換器６により冷却（例えば１００℃）した後、半透膜を有する水素分離槽７で分離し、水素分配器８を経て燃料電池９で使用するなど、この発明の水素ガス製造システム１０を構成した。

この発明の他の実施例を図３、４について説明すると、ガス化炉へ、ゼットガス及びバイオマスと水蒸気の混合物を吹き込み、ゼットガスを燃焼させて高温のバイオガスを生成する（例えば５００℃〜９００℃）。そこで、バイオガスを熱交換し、ついで水素を分離し、ここで排気中のＣＯ_２をＣａＣＯ_３に固定し分離、残余の蒸気を外界に放出する（例えば１００℃以下か）。前記熱交換で得た水蒸気は圧縮器で加圧した後、混合機に供給する。

前記によりバイオマスの処理を説明したが、最終的廃棄物は殆んどない。

また図４によりこの発明のシステムの実施例について説明すると、ガス炉１１へバーナー２を介してゼットガス発生器３で発生したゼットガスを吹き込む。一方木屑、もみ殻などのバイオマスを、水蒸気と共に混練器１２に投入するので、バイオマスは、前記ゼットガス焔によって５００℃〜９００℃に加熱され、高温高圧のバイオガスとなって熱交換器６に入る。ここで水で熱交換され、２００℃〜３００℃になった排気は反応筒１３へ入り、炭酸ガス（ＣＯ_２）を炭酸カルシウムとして分離すると共に、半透膜を用いて水素ガスを分離する。前記水素ガスは水素分配器８へ入り、燃料電池９に使用され、又は水素エンジンの燃料として使用する。前記生成された炭酸カルシウムと水蒸気とは、矢示１４のように取り出され、この発明のシステム１５が構成された。

前記熱交換器により生成した水蒸気は、矢示１６のように圧縮器１７へ入り、加圧水蒸気を生成し、バイオマスの混練器１２へ供給される。図中１８は分配器、１９はスラグである。

前記のように、バイオマスのような廃棄物も有効に処理し、残渣はきわめて少ない（殆んど完全処理）。

この発明のゼットガス生成の為の電気分解を図５に基づいて説明すると、電解槽２０内に、多数の電極板２１、２１を縦に並列設置して、各電極板２１、２１は導板２２、２２ａにより夫々プラス極、マイナス極を形成している。前記電解槽２０の下部には、送水パイプ２３の一端が連結され、送水パイプ２３の他端は、電解水槽２４に連結してある。

また電解槽２０の上部は、排水パイプ２５の基端が連結され、排水パイプ２５の他端は、前記電解水槽２４の上部の分離匣２６に連結されている。前記電解水槽２４の上部は、混合ガスの排出パイプ２７に連結されている。そこで各電極板２１、２１に通電すると共に、送水パイプ２３のポンプ２８を始動すると、電気分解されて生成した水素ガスと酸素ガスと水を、排水パイプ２５から矢示２９のように取り出し、分離匣２６で分離して、排出パイプ２７から分配器８に送り（図２）、分配器８から必要個所に分配する。前記ゼットガスの発生器７は一例であって、他の構造を採用することもできる。要は、水素ガスと酸素ガスを混合したゼットガスを生成すれば利用することができる。図中３０は電解水槽２４への送水パイプ、３１は水位計測室、３２は水位計、３３は電磁バルブ、３４は給排気パイプ、３５は連通孔である。

前記実施例において、ポンプ２８を始動すると共に、各電極板２１、２１へ通電すれば、電解水槽２４の電解水は、矢示３６、３７、３８のように流動し、流動中に電気分解されて、水素ガス及び酸素ガスが発生し、上昇水に混入して排水パイプ２５から矢示２９のように流動して分離匣２６に入る。そこで、気液が分離され、液は電解水槽２４に戻り、水素ガスと酸素ガスの混合ガスは、排出パイプ２７から矢示３９のように、分配器１８へ送られ、必要な箇所へ必要量宛分配される。

前記において、送水パイプ２３の適所に電磁石４０（永久磁石でもよい）を仮着して使用すれば、電解水を磁化水に変えて、電気分解を容易（効率向上）にすることができる。

また電解槽２０内へ超音波発振器４１を設置すれば、電気分解を促進し、かつ電極面を清掃して効率を向上することができる。

この発明の実施例のブロック図。 同じく図１のシステムの流れ図。 同じく他の実施例のブロック図。 同じく図３のシステムの流れ図。 （ａ）同じくゼットガス発生器の実施例の概略図、（ｂ）同じく電極の一例を示す拡大斜視図。

符号の説明

１ 触媒反応炉
２ バーナー
３ ゼットガス発生器
４ 生ごみ
５ 発酵槽
６ 熱交換器
７ 水素分離槽
８ 水素分配器
９ 燃料電池
１０ 水素製造システム
１１ ガス炉
１２ 混練器
１３ 反応筒
１５ 水素ガス製造システム

Claims (9)

1. 生廃棄物を微生物処理して得たメタンガスを触媒反応炉に供給すると共に、該触媒反応炉へゼットガス炎を吹き込んで高温加熱して高温融合ガスを生成し、この高温融合ガスを熱交換した後、ガスバリア膜を利用して水素を回収し、燃料電池用水素ガスを作ることを特徴とした水素ガス製造方法。
2. 生廃棄物を、家庭の生ごみ、茶、コーヒーの絞り粕、ビール絞り粕、食品残滓などの産業上の生廃棄物とすることを特徴とした請求項１記載の水素ガス製造方法。
3. 木屑、もみ殻などの有機廃棄物と加熱水蒸気との混練物をガス化炉に投入して、これをゼットガス炎で燃焼させ、分解により生じたバイオガスを熱交換して熱交換により生じた水蒸気は、前記加熱水蒸気として供給し、温度の低下したバイオガスは反応筒に入れて二酸化炭素を固定し、残余の気体からガスバリア膜を利用して水素ガスを分離し、燃料電池用水素ガスを作ることを特徴とした水素ガス製造方法。
4. 反応筒は、カルシウム剤を入れて二酸化炭素を炭酸カルシウムにして固定することを特徴とした請求項３記載の水素ガス製造方法。
5. 生廃棄物の微生物処理は、生廃棄物をスラリー化して発酵槽に入れてメタン菌を加え、ＰＨが７以上になるようにすると共に、ＯＲＰ（酸化還元電位）が−５００〜−８００ｍＶ以上になるように調整することを特徴とした請求項１記載の水素ガス製造方法。
6. 生廃棄物を用いたバイオガス生成手段と、ゼットガス生成手段と、触媒反応炉と、水素分離筒とを組み合せたことを特徴とする水素ガス製造システム。
7. バイオガス生成手段は、生廃棄物にメタン菌を混入してメタンガスを生成させる発酵槽としたことを特徴とする請求項５記載の水素ガス製造システム。
8. バイオマスと水蒸気の混練物生成手段と、ゼットガス生成手段と、ガス化炉と、熱交換器と、反応筒と、水素ガス槽とを組み合せたことを特徴とする水素ガス製造システム。
9. ゼットガス生成手段は、水の電気分解装置としたことを特徴とする請求項６又は７記載の水素ガス製造システム。

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