JP2009013027A - バイオマスを利用した水素製造システム - Google Patents

Abstract

【解決手段】 上記水素製造システム１は、湿ったバイオマスを乾燥させる乾燥装置２と、乾燥バイオマスを炭化させて炭化物と乾溜ガスとを生成する炭化装置３と、上記炭化物から燃料ガスを得るガス化装置５と、燃料ガスを燃料として発電を行う発電装置６と、発電装置６の電力により水を酸素と水素とに電気分解する電気分解装置７とを備えている。
炭化装置３で発生した乾溜ガスを燃焼させる乾溜ガス燃焼装置４を設けて、乾溜ガスの燃焼熱を上記乾燥装置２に供給するとともに、上記電気分解装置７で発生した酸素はガス化剤として上記ガス化装置５へと供給するようになっている。
【効果】 湿ったバイオマスから水素を得るまでの過程で発生するガスや酸素を有効活用することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明はバイオマスを利用した水素製造システムに関し、詳しくは湿ったバイオマスを原料として発電を行うと共に、発電した電力により水を電気分解することで水素を得るようにしたバイオマスを利用した水素製造システムに関する。

今日、木材チップ、コーヒー滓、果汁絞り滓、茶滓など、有機性の廃棄物（バイオマス）は日々大量に発生しており、環境問題などの観点から、これらのバイオマスを有効的に活用しようという取り組みが行われている。
例えば、バイオマスを原料として発電を行う発電システムや、このバイオマスを利用して発電された電力を用いて水を電気分解し、発生した水素を水素エンジンや燃料電池等で利用する水素製造システムが知られている（特許文献１〜３）。
特開２００６−８７２２１号公報 特開２００６−１２８００６号公報 特開２００３−３２８１７２号公報

しかしながら上記特許文献１〜３の各システムでは、電力や水素を発生させる過程で発生するガスや熱などのエネルギーを有効的に利用しているとは言えず、システムを作動させるにはいまだに多大なエネルギーが必要となっている。
このような問題に鑑み、本発明は特にコーヒー滓、果汁絞り滓、茶滓などの湿ったバイオマスから水素を得る際に発生するガスや酸素などを有効的に利用することの可能な水素製造システムを提供するものである。

すなわち、本発明におけるバイオマスを利用した水素製造システムは、湿ったバイオマスを乾燥させて乾燥バイオマスを生成する乾燥装置と、乾燥バイオマスを炭化させて炭化物を生成する炭化装置と、上記炭化物にガス化剤を供給して燃料ガスを得るガス化装置と、燃料ガスを燃料として発電を行う発電装置と、発電装置の電力により水を酸素と水素とに電気分解する電気分解装置とを備え、
上記炭化装置において炭化物を生成する際に発生する乾溜ガスを燃焼させる乾溜ガス燃焼装置を設けて、該乾溜ガス燃焼装置による乾溜ガスの燃焼熱を上記乾燥装置に供給すると共に、
上記電気分解装置で生成される酸素をガス化剤として上記ガス化装置に供給することを特徴としている。

上記発明によれば、乾燥バイオマスを炭化させて炭化物を生成する際に発生する乾溜ガスを乾溜ガス燃焼装置によって燃焼させ、この燃焼熱を湿ったバイオマスを乾燥させる乾燥装置に供給するため、上記乾溜ガスを有効活用することができる。
また、電気分解装置で水素を製造する際に発生する酸素をガス化装置に供給して、ガス化装置におけるガス化剤として利用することができるので、上記酸素を有効活用することができる。

以下図示実施例について説明すると、図１は本発明にかかる水素製造システム１を示し、例えば果実飲料等を製造する飲料工場に隣接して設けられるようになっている。
上記水素製造システム１は、湿ったバイオマスを乾燥させて乾燥バイオマスを生成する乾燥装置２と、乾燥バイオマスを炭化させて炭化物と乾溜ガスとを生成する炭化装置３と、上記乾溜ガスを燃焼させる乾溜ガス燃焼装置４と、上記炭化物から燃料ガスを得るガス化装置５と、上記燃料ガスを燃料として発電を行う発電装置６と、発電装置６の電力により水を酸素と水素とに電気分解する電気分解装置７と、該電気分解装置７が生成した水素を貯蔵する水素供給手段としての水素供給ステーション８とから構成されている。
この水素製造システム１によれば、飲料工場で発生した果汁の絞りかす等の湿ったバイオマスから水素を得ることができ、この水素を上記水素供給ステーション８で燃料電池を積んだトラック９に補給するようになっている。
このように、飲料工場で排出されて従来は廃棄処分されていたバイオマスからトラック９の燃料が得られるため、商品の輸送コストを削減することができ、またトラック９からの窒素酸化物の排出を無くすことができる。

図２に示すように、上記乾燥装置２は、上記湿ったバイオマスを投入するホッパ１１と、その内部で湿ったバイオマスを加熱しながら攪拌する乾燥ドラム１２と、該乾燥ドラム１２内に熱風を供給する熱風供給手段１３とから構成されている。
上記ホッパ１１には湿ったバイオマスとして上述した果汁の絞りかす等が投入され、例えば果汁の絞りかすに含まれる水分は約５０〜６０％、コーヒー滓に含まれる水分は約７０％となっている。そしてこの湿ったバイオマスは該ホッパ１１から乾燥ドラム１２に連続的に供給されるようになっている。
上記乾燥ドラム１２は筒状を有するとともに、内部には図示しないオーガが設けられており、このオーガを回転させることで供給されたバイオマスを攪拌するようになっている。
上記熱風供給手段１３は、送風機１３ａと該送風機１３ａによって送風された空気を加熱する熱交換器１３ｂとから構成され、送風機１３ａが送風した空気は上記熱交換器１３ｂを通過する際に加熱され、該熱風は上記乾燥ドラム１２内に供給されるようになっている。
このような構成により、乾燥ドラム１２内に熱風を供給することで湿ったバイオマスの水分が蒸発し、水分の除去された乾燥バイオマスを乾燥ドラム１２から排出するとともに、蒸発した水分は水蒸気となって排出され、この水蒸気は上記ガス化装置５におけるガス化剤として利用することができる。
なお、熱風供給手段１３の供給する熱風の温度は処理する湿ったバイオマスによって変更することが可能であり、上記湿ったバイオマスとして、他にも木材チップ、コーヒー滓、茶滓なども処理可能である。

図３に示すように、上記炭化装置３は、上記乾燥バイオマスの投入されるホッパ１４と、該乾燥バイオマスを炭化物と乾溜ガスとに分離するロータリーキルン１５と、該ロータリーキルン１５に熱風を供給する熱風供給手段１６とを備えている。
上記ロータリーキルン１５は、筒状の大径管１５ａと、該大径管１５ａよりも小径で大径管１５ａの内部に設けられる少なくとも１本の小径管１５ｂとから構成され、上記大径管１５ａと小径管１５ｂとの間の空間に上記熱風供給手段１６からの熱風が供給されるようになっている。
上記小径管１５ｂは大径管１５ａの内部で回転するととともに、搬送方向下流側に向けて傾斜しており、このため上記乾燥バイオマスは小径管１５ｂの内部を攪拌されながら搬送方向下流側に搬送されるようになっている。
また本実施例では上記熱風供給手段１６が供給する熱風の温度を約４００〜５００℃としており、バイオマスが炭化する際におけるダイオキシンの発生を抑制するようになっている。
このような構成により、上記大径管１５ａと小径管１５ｂとの間に熱風を供給することで、小径管１５ｂ内部を搬送される乾燥バイオマスが炭化して、炭化物と乾溜ガスとが生成される。
乾燥バイオマスからは約２５％程度の炭化物（チャー）が得られ、この炭化物は図示しない搬送手段によって高温状態を維持したまま上記ガス化装置５に供給される。また上記乾溜ガスは上記乾溜ガス燃焼装置４に供給される。

上記乾溜ガス燃焼装置４は、上記炭化装置３で発生した乾溜ガスを８００℃以上の高温によって燃焼させるようになっており、この燃焼熱を上記乾燥装置２における熱風供給手段１３の熱交換器１３ｂに供給するようになっている。
乾溜ガスを高温で燃焼させることで、乾溜ガスに含まれるタールを分解することができ、タールが配管等に付着してメンテナンス性が低下してしまうのを防止するようになっている。
ここで、上記特許文献１の発電システムの場合、バイオマスを炭化させて乾溜ガスを発生させ、この乾溜ガスによりガスエンジンを駆動して発電を行っているが、このように乾溜ガスをガスエンジンに供給して発電を行う場合、上記乾溜ガスの熱量が低く効率が悪いことと、乾留ガスに含まれるタールによりメンテナンスが煩雑であるといった問題があった。
なお、上記乾溜ガス燃焼装置４によって発生させる熱量に余裕がある場合には、この熱を上記ガス化装置５に供給して、燃料ガスを得るための補助熱として利用することもできる。

図４に示すように、ガス化装置５は上記炭化物の供給されるホッパ１７と、その内部で炭化物から燃料ガスを発生させるガス化炉１８と、ガス化炉１８内に酸素や水蒸気などのガス化剤を供給するガス化剤供給装置１９とを備えている。
ガス化炉１８内は約１０００℃に設定され、ここにホッパ１７から炭化物を供給するとともに上記ガス化剤供給装置１９からガス化剤を供給すると、ガス化剤が炭化物に接触して、一酸化炭素を主成分とする燃料ガス（バイオマスガス）が発生するようになっている。
上記ガス化剤としては、酸素のほか空気や水蒸気等を用いることができるが、空気を供給すると空気内の窒素によって燃料ガスの熱量が低下してしまうため、極力酸素濃度を高くするのが望ましい。
また、ガス化炉１８内で生成された燃料ガスには微粒炭や飛灰が含まれているため、ガス化炉１８より排出された燃料ガスは図示しない除塵装置により、これらの粉塵を除去するようになっている。
さらに、ガス化を行うことでガス化炉１８内に残留した灰等の残留物はガス化炉１８の下部から排出される。

上記発電装置６は、従来公知のガスエンジンであって、上記ガス化装置５で生成した燃料ガスを燃料として駆動し、発電した電力を上記電気分解装置７に供給するようになっている。
そして上記電気分解装置７は図示しない水供給手段によって水の供給を受けると共に、上記発電装置６からの電力を使用して、当該水を水素と酸素とに電気分解するようになっている。
このうち上記水素は圧縮されて上記水素供給ステーション８の図示しない水素タンクに貯蔵されるようになっており、この水素はその後燃料電池を備えたトラック９や、水素エンジンを備えた車両等に供給されるようになっている。
なお、上記特許文献１ではガス化装置で発生した燃料ガスを燃料電池に供給し、該燃料電池によって発電を行うようになっているが、この場合ガスの精製に高価なガス精製装置が必要となり、またガスの発生量の制御が煩雑であるといった問題があった。

一方、電気分解装置７によって生成された酸素は、上記ガス化装置５のガス化剤供給装置１９へと供給され、ガス化剤供給装置１９は電気分解装置７が生成した酸素をガス化装置５に供給するようになっている。
このように電気分解装置７から酸素をガス化装置５に供給することで、ガス化炉１８内に供給されるガス化剤の酸素濃度をあげることができ、その結果、より熱量の高い燃料ガスを得ることが可能となるため、上記発電装置６をより効率的に稼動させることが可能となる。
また、上記電気分解装置７からで生成された酸素が、ガス化装置５で必要とされる所定の酸素の供給量を超える場合、この余った酸素は図１の破線で示すように上記炭化装置３や乾溜ガス燃焼装置４に供給することも可能であり、熱風供給手段１６での熱の発生や、上記乾溜ガスを燃焼させる際の助燃剤として利用することも可能である。

なお、上記乾燥装置２において湿ったバイオマスを乾燥させる際に発生する水蒸気については、上記ガス化装置５のガス化剤供給装置１９に供給し、上記ガス化剤として供給するようにしてもよい。
この場合、生成した燃料ガス内には水素が発生し、燃料ガスの熱量を上げることができる。

本実施例にかかる水素製造システムについての構成図。 乾燥装置についての構成図。 炭化装置についての構成図。 ガス化装置についての構成図。

符号の説明

１ 水素製造システム ２ 乾燥装置
３ 炭化装置 ４ 乾溜ガス燃焼装置
５ ガス化装置 ６ 発電装置
７ 電気分解装置 ８ 水素供給ステーション
１３ 熱風供給手段 １３ａ 熱交換器

Claims (2)

1. 湿ったバイオマスを乾燥させて乾燥バイオマスを生成する乾燥装置と、乾燥バイオマスを炭化させて炭化物を生成する炭化装置と、上記炭化物にガス化剤を供給して燃料ガスを得るガス化装置と、燃料ガスを燃料として発電を行う発電装置と、発電装置の電力により水を酸素と水素とに電気分解する電気分解装置とを備え、
   上記炭化装置において炭化物を生成する際に発生する乾溜ガスを燃焼させる乾溜ガス燃焼装置を設けて、該乾溜ガス燃焼装置による乾溜ガスの燃焼熱を上記乾燥装置に供給すると共に、
   上記電気分解装置で生成される酸素をガス化剤として上記ガス化装置に供給することを特徴とするバイオマスを利用した水素製造システム。
2. 上記電気分解装置が生成した水素を貯蔵する水素タンクと、該水素タンクから水素を燃料として走行する車両に該水素を供給する水素供給手段とを備えた請求項１に記載のバイオマスを利用した水素製造システム。

Images