JP2020107562A - バイオマス燃料電池発電システム - Google Patents

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法義 金藏
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Abstract

【課題】バイオマス原料を用い、地域資源の有効利用、良質な活性炭の製造、山間地等での分散型発電への適用等、農山村の振興に極めて役立つことのできるバイオマス燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】シリンダと、シリンダの内部で軸回転し、バイオマス原料を投入部から取出部に向かって押し出すスクリューとを有するエクストルーダーを備えた炭化部を有し、さらに、炭化部の取出部の下流に直結され、炭化部から取り出されたバイオマス材料を取り込み、ガス賦活処理を行い、活性炭を製造するとともに、還元ガスを生成する第1賦活炉と、第1賦活炉から還元ガスを取り込み、発電を行うSOFC燃料電池を有することを特徴とするバイオマス燃料電池発電システム。【選択図】図1

Description

本発明は、バイオマス原料を用いた燃料電池(固体酸化物形燃料電池)発電システムに関するものである。
バイオマス(再生可能な、生物由来の有機性資源で化石燃料を除いたもの)などの有機物は、高い燃焼熱を持つことから古くからエネルギー源として利用され、軽量で高強度のセルロースなどを含むことから成形材料としても活用されてきている。
バイオマスは、元々大気からの二酸化炭素を取り込んで生成したものであるため、燃焼させた場合では、化石燃料を燃やした場合と異なり、大気中の二酸化炭素濃度を増減させないカーボンニュートラルな資源である。このため、このようなカーボンニュートラルなバイオマスをより高効率な経済性にも優れたエネルギー源として利用する研究が進められている。
また、バイオマスは再生可能エネルギー源として持続可能な自然・社会の構想として極めて重要な意義を有している。このような背景を踏まえて、本出願人は、バイオマス資源を新しい社会へ基盤とすべく検討を行い、バイオマスをエネルギー利用の観点から、ガス成分、タール成分、炭化物成分を十分に分離できる高効率熱分解型のバイオマス燃料生成装置を提案している(特許文献1)。
この特許文献1に記載のバイオマス燃料生成装置は、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼炉と、間接加熱により有機物を発生ガスと炭化物に分離する熱分解炉とを備え、燃焼炉で発生させた燃焼ガスを熱分解炉に導き、有機物を間接加熱するものである。これにより、装置の小型化を図り、良質な炭化物や活性炭を得ることができるようにしている。
このバイオマス燃料生成装置では、活性炭等の炭化物を得る際に、高温の還元ガス(H、CO等)が放出され、その高温排熱を有効に回収したり、還元ガスを燃料として利用可能としていることも特徴とされている。ただ、この還元ガスについての利用は大型の設備によるものが主流として検討されているものの、自然・地域資源として多量に存在しているバイオマス原料を用いたバイオマス燃料生成装置から排出される、利用価値の高い高温排熱を有効に回収利用したり、水素や一酸化炭素等の還元ガスを有効に用いることは必ずしも現実的なものとはなっていない。
特開2016−94590号公報
様々な再生可能エネルギーの中でも、バイオマス原料の活用は、エネルギーの有効利用だけでなく、地域の経済性に大きな役割を果たすことが期待されることから、本発明者らは、このための現実的な方策について様々な観点から検討を進め、上記提案のバイオマス燃料生成装置の知見を踏まえつつ、還元ガスによる発電としてバイオマス燃料電池装置の可能性について着目して、その実現について検討を進めてきた。
SOFC燃料電池(固体酸化物形燃料電池)は、現在知られている燃料電池では最も高温(通常700〜1000℃程度)で可動し、単独の発電装置としては最も発電効率が良い(45〜65%)ものとして知られている。このSOFC燃料電池は、電極、電解質を含め、発電装置中に液体が存在せず、全て固体で構成されている。このSOFC燃料電池では、空気極(正極)に供給された酸素が電子を受け取り、酸化物イオンとなり、電解質(Zr系、Ce系等)中を酸化物イオンが空気極から燃料極(負極)に移動し、燃料極で水素や一酸化炭素が酸化物イオンと反応し、水、二酸化炭素が生成され、その際放出された電子によって発電される。
バイオマス原料を用い、装置の小型化が可能で、エネルギー変換効率の高いSOFC燃料電池に利用することができると、地域資源の有効利用、良質な活性炭の製造、山間地等での分散型発電への適用等、農山村の振興に極めて役立つものと期待される。
本発明は、以上のような従来技術に鑑みてなされたもので、バイオマス原料を用い、装置の小型化が可能で、エネルギー変換効率の高いSOFC燃料電池に利用することにより、地域資源の有効利用、良質な活性炭の製造、山間地等での分散型発電への適用等、農山村の振興に極めて役立つことのできるバイオマス燃料電池発電システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第1のバイオマス燃料電池発電システムは、投入物としてバイオマス原料を投入する投入部、及び前記バイオマス原料の炭化物を取り出す取出部を有するシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し、前記バイオマス原料を前記投入部から前記取出部に向かって押し出すスクリューとを有するエクストルーダーを備えた炭化部を有し、前記炭化部が、前記バイオマス原料を150〜300℃の温度で乾燥・炭化させる第1炭化部と、前記第1炭化部の下流に直結され前記バイオマス原料を300〜500℃の温度で炭化させる第2炭化部よりなり、さらに、前記炭化部の前記取出部の下流に直結され、前記炭化部から取り出された前記バイオマス材料を取り込み、700〜1000℃の温度でガス賦活処理を行い、活性炭を製造するとともに、還元ガスを生成する第1賦活炉と前記第1賦活炉から還元ガスを取り込み、発電を行う第1のSOFC燃料電池を有することを特徴とする。
また、本発明の第2のバイオマス燃料電池発電システムは、投入物としてバイオマス原料を投入する投入部、及び前記バイオマス原料の炭化物を取り出す取出部を有するシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し、前記バイオマス原料を前記投入部から前記取出部に向かって押し出すスクリューとを有するエクストルーダーを備え、前記バイオマス原料を150〜300℃の温度で乾燥・炭化させる第1炭化部と、前記第1炭化部の前記取出部の下流に直結され、前記第1炭化部から取り出された前記バイオマス材料を取り込み、1100〜1300℃の温度で酸化・燃焼させるとともに還元ガスを生成するガス化炉と、前記ガス化炉から前記還元ガスを取り込み、発電を行う第2のSOFC燃料電池を有することを特徴とする。このガス化炉は、前記第2炭化部と前記第1賦活炉の両方の役割を担う。
さらに、本発明の第3のバイオマス燃料電池発電システムは、投入物としてバイオマス原料を投入する投入部、及び前記バイオマス原料の炭化物を取り出す取出部を有するシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し、前記バイオマス原料を前記投入部から前記取出部に向かって押し出すスクリューとを有するエクストルーダーを備えた炭化部を有し、前記炭化部が、前記バイオマス原料を150〜300℃の温度で乾燥・炭化させる第1炭化部と、前記第1炭化部の下流に直結され前記バイオマス原料を300〜500℃の温度で炭化させる第2炭化部よりなり且つ前記第1炭化部と前記第2炭化部がそれぞれ前記バイオマス原料の炭化物を取り出す取出部を有し、前記炭化部の前記取出部の下流に直結され、前記炭化部から取り出された前記バイオマス材料を取り込み、700〜1000℃の温度でガス賦活処理を行い、活性炭を製造するとともに、還元ガスを生成する第1賦活炉と、前記第1賦活炉から前記還元ガスを取り込み、発電を行う第1のSOFC燃料電池を含む第1の経路と、前記第1炭化部の下流に直結され、前記第1炭化部から取り出されたバイオマス原料を取り込み、1100〜1300℃の温度で酸化・燃焼させるとともに還元ガスを生成するガス化炉と、前記ガス化炉の前記取出部の下流に直結され、前記第1賦活炉から前記還元ガスを取り込み、発電を行う第2のSOFC燃料電池を含む第2の経路と、前記第1炭化部と前記第2炭化部との間に前記第1の経路と前記第2の経路を切り替えるあるいは分配する切替/分配手段を有することを特徴とする。
そしてまた、上記いずれのバイオマス燃料電池発電システムにおいても、バイオマス原料投入部には、リグニン成分の投入部を併存又は並設していることが好ましい。
そしてまた、炭化部のエクストルーダーについては2軸のエクストルーダーとすることが好ましい。
さらには、上記バイオマス燃料電池発電システムにおいても、前記第1賦活炉は、回転型賦活炉であることが好ましい。
本発明によれば、バイオマス原料を用い、装置の小型化が可能で、エネルギー変換効率の高いSOFC燃料電池に利用することにより、地域資源の有効利用、良質な活性炭の製造、山間地等での分散型発電への適用等、農山村の振興に極めて役立つことのできるバイオマス燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
第1の発明のバイオマス燃料電池発電システムによれば、第1炭化部で150〜300℃の温度でバイオマス原料が乾燥・炭化され、第2炭化部では第1炭化部で炭化されたバイオマス原料が300〜500℃の温度で炭化され、第1賦活炉では、取り込んだ炭化されたバイオマス原料が700〜1000℃の温度で確実に賦活・改質されて活性炭が生成されるとともにSOFC燃料電池に必要な還元ガス(H、CO)が生成され、供給される。
これらのことから、SOFC燃料電池に必要な還元ガスが安定して生成され、バイオマス燃料電池発電システムに供されるとともに、活性炭の品質の高度化、製造の利便性を高めることができる。
第2の発明のバイオマス燃料電池発電システムによれば、第1炭化炉で150〜300℃の温度で乾燥・炭化されたバイオマス原料をガス化炉で1100〜1300℃の温度で酸化・燃焼させるともに、還元ガス化できるため、SOFC燃料電池に必要な還元ガス(H、CO)がより安定して生成され、供給することができ、バイオマス燃料電池発電システムの発電効率をより高めることができる。
第3の発明のバイオマス燃料電池発電システムによれば、切替/分配手段により、第1の発明のバイオマス燃料電池発電システムと第2の発明のバイオマス燃料電池発電システムを選択的に切り替えて使用できるため、状況に応じて両者のメリットを生かしたバイオマス燃料電池発電システムが利用でき、場合によっては両者を併せて利用する態様をとることもできる。
第4の発明のバイオマス燃料電池発電システムによれば、原材料にバイオマス原料とリグニンク成分を併用し、且つ2軸エクストルーダーを用いているので、炭化されたバイオマス原料の混練が十分になされ、均質の、破砕されにくい、しかも高品質の活性炭になる原料である炭が製造可能ともなる。
また、リグニンク成分を併用しているため、炭を粒状にするための破砕、バインダーが必要なくなる。
そして、炭化部においては2軸のエクストルーダーを用いることで、バイオマス原料から炭化物、さらには活性炭の均質な生成、そして還元ガス生成を高効率に実現することができる。
そしてさらに、第1の賦活炉として、回転型賦活炉を用いることにより、活性炭の製造、及び燃焼ガスの生成をより効率的に行うことができる。
本発明の第1実施形態のバイオマス燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第2実施形態のバイオマス燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第3実施形態のバイオマス燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
以下、本発明の第1実施形態のバイオマス燃料電池発電システムの構成及び動作を図1に示すブロック図により説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る第1実施形態のバイオマス燃料電池発電システムは、投入物として例えば角材や間伐材等のバイオマス(固体)原料とリグニン成分とを、炭化部11(第1炭化部12)の投入口(図示せず)から投入する。炭化部11は、より好ましくは2軸のエクストルーダーを構成する、シリンダと、このシリンダの内部で軸回転し、バイオマス原料を上流から下流に送る一対のスクリューと、このスクリューを軸回転させる駆動手段(モータ)から構成される。炭化部11は、150〜300℃の温度でバイオマス原料を乾燥・炭化させる第1炭化部12と、温度が300〜500℃の温度で第1炭化部12からの炭化させたバイオマス原料を更に炭化させる第2炭化部13からなる。第2炭化部13は炭化したバイオマス原料を取り出す取出部(図示せず)を有する。
第2炭化部13の下流には、第2炭化部13で炭化されたバイオマス原料を取り込み、温度が700〜1000℃程度、好ましくは850℃程度でガス賦活処理を行い、還元ガス(H、CO)を生成するとともに、活性炭を製造する回転型の第1賦活炉(改質・賦活炉)14が設けられている。ここで第1賦活炉14は活性炭生成条件のもとにある。製造された活性炭は外部に回収される。一方、還元ガスはSOFC燃料電池15に送られ、SOFC燃料電池15は大気中の空気を取り込んでそれに含まれる酸素と、第1賦活炉14から送られてきた還元ガス(H、CO)を用いて発電を行い、HOとCOを排出する。SOFC燃料電池15で発生した熱は熱利用することもできる。また第2炭化部13や第1賦活炉14で生成した還元ガスはガス発電等として利用してもよい。
以上のように、第1実施形態のバイオマス燃料電池発電システムによれば第1賦活炉14で生成した還元ガス(H、CO)を利用してSOFC燃料電池による効率の良い発電が行われるとともに、併せて高品質の活性炭が製造できるという利点がある。
なお、炭化部11におけるエクストルーダーはバイオマス原料の種類や性状、さらには要処理量や処理時間等を考慮して1軸スクリューとしてもよい。より好ましくは均質、効率処理の観点からは2軸スクリューとすることができる。この場合の対向する一対のスクリューの回転は同方向型でもよいし、対向型でもよい。
また、リグニン成分の投与については、バイオマス原料が竹材の場合のように、炭化物、そして活性炭の粒状化や粒径均一化のために好ましいが、適宜にその是非やバイオマス原料に対しての投与量比等を決めることができる。
次に、本発明の第2実施形態のバイオマス燃料電池発電システムの構成及び動作を図2に示すブロック図により説明する。
図2に示すように、本実施形態に係る第2実施形態のバイオマス燃料電池発電システムは、投入物として例えば角材や間伐材等のバイオマス(固体)原料とリグニン成分とを、第1炭化部12の投入口(図示せず)から投入する。第1炭化部12は、より好ましくは2軸のエクストルーダーを構成する、シリンダと、このシリンダの内部で軸回転し、バイオマス原料を上流から下流に送る一対のスクリューと、このスクリューを軸回転させる駆動手段(モータ)から構成される。第1炭化部12は、150〜300℃の温度でバイオマス原料を乾燥・炭化、第1炭化部12は炭化したバイオマス原料を取り出す取出口(図示せず)を有する。
第1炭化部12の下流には、第1炭化部12で炭化されたバイオマス原料を取り込み、1100〜1300℃、好ましくは1200℃の温度でガス化処理を行い、酸化・燃焼させるとともに還元ガス(H、CO)を生成する、前述の第2炭化部と第1賦活炉の両方の役割を担うガス化炉16が設けられており、ガス化炉16で生成された還元ガスはSOFC燃料電池17に送られ、SOFC燃料電池17は大気中の空気を取り込んでそれに含まれる酸素と、ガス化炉16から送られてきた還元ガス(H、CO)を利用して発電を行い、HOとCOを排出する。SOFC燃料電池17で発生した熱は熱利用することもできる。
以上のように、第2実施形態のバイオマス燃料電池発電システムによればガス化炉16で生成した還元ガス(H、CO)を利用してSOFC燃料電池によるより効率の良い発電が行われる。この場合、バイオマス燃料電池発電システムによる発電に特化させて、より効率の良い発電を行う場合に好適である。
次に、本発明の第3実施形態のバイオマス燃料電池発電システムの構成及び動作を図3に示すブロック図により説明する。
図3に示すように、本実施形態に係る第3実施形態のバイオマス燃料電池発電システムは、第1実施形態のバイオマス燃料電池発電システムと第2実施形態の燃料電池発電システムを組み合わせたものであり、両システムを切り替え又は分配して目的に応じて適切に使用することができる。
投入物として例えば角材や間伐材等のバイオマス(固体)原料とリグニン成分とを、炭化部11(第1炭化部12)の投入口(図示せず)から投入する。炭化部11は、より好ましくは2軸のエクストルーダーを構成する、シリンダと、このシリンダの内部で軸回転し、バイオマス原料を上流から下流に送る一対のスクリューと、このスクリューを軸回転させる駆動手段(モータ)から構成される。炭化部11は、150〜300℃の温度でバイオマス原料を乾燥・炭化させる第1炭化部12と、300〜500℃、好ましくは400℃の温度で、第1炭化部12からの炭化されたバイオマス原料を更に炭化させる第2炭化部13からなる。第2炭化部13は炭化されたバイオマス原料を取り出す取出部(図示せず)を有する。
第2炭化部13の下流には、第2炭化部13で炭化されたバイオマス原料を取り込み、700〜1000℃程度、好ましくは850℃の温度でガス賦活処理を行い、還元ガス(H、CO)を生成するとともに、活性炭を高品質で製造する回転型の第1賦活炉(改質・賦活炉)14が設けられている。ここで第1賦活炉14は活性炭生成条件のもとにある。製造された活性炭は外部に回収される。一方、第1賦活炉14で生成された燃焼ガスはSOFC燃料電池15に送られ、SOFC燃料電池15は大気中の空気を取り込んでそれに含まれる酸素と、第1賦活炉14から送られてきた還元ガス(H、CO)により発電を行い、HOとCOを排出する。SOFC燃料電池15で発生した熱は熱利用することもできる。また第2炭化部13や第1賦活炉14で生成した還元ガスは余剰ガスとして利用してもよい。
一方、第1炭化部12と第2炭化部13の間には、経路を第1実施形態の経路と第2実施形態の経路に切り替えるあるいは分配する切替/分配装置18が設けられている。
この切替/分配装置18は、第1炭化部12で炭化されたバイオマス原料を取り込み、1100〜1300℃、好ましくは1200℃の温度でガス化処理を行い、炭化させるとともに還元ガス(H、CO)を生成する、第2炭化部と第1賦活炉の両方の役割を担うガス化炉16にも接続され、ガス化炉16で生成された還元ガスはSOFC燃料電池17に送られ、SOFC燃料電池17は大気中の空気を取り込んでそれに含まれる酸素と、ガス化炉16から送られてきた還元ガス(H、CO)を利用して発電を行い、HOとCOを排出する。SOFC燃料電池17で発生した熱は熱利用することもできる。
第3実施形態のバイオマス燃料電池発電システムでは、切替/分配装置18における経路切替により、用途、使用目的等に応じて、経路を第1実施形態の経路と、第2実施形態の経路に切り替えることができるようになっている。
以上の例は、切替/分配装置18を第1実施形態の経路と第2実施形態の経路に切り替えた場合について説明してきたが、本発明によれば、切替/分配装置18で分配を選択して、両者を同時に使用することもできる。
以上のように、第3実施形態のバイオマス燃料電池発電システムによれば、第1実施形態の利点、第2実施形態の利点、そして両者を合わせた利点を得ることができ、多様な使用方法が選択できる。
なお、以上の実施形態でも例示した本発明においては、SOFC燃料電池そのものについては公知のものをはじめ改良、発展型の各種のものを、本発明の目的、所要効果の観点から定めることができることは言うまでもない。
10 バイオマス原料
11 炭化部
12 第1炭化部
13 第2炭化部
14 第1賦活炉
15 SOFC燃料電池
16 ガス化炉
17 第1のSOFC燃料電池
18 切替/分配装置

Claims (6)

  1. 投入物としてバイオマス原料を投入する投入部、及び前記バイオマス原料の炭化物を取り出す取出部を有するシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し、前記バイオマス原料を前記投入部から前記取出部に向かって押し出すスクリューとを有するエクストルーダーを備えた炭化部を有し、前記炭化部が、前記バイオマス原料を150〜300℃の温度で乾燥・炭化させる1次炭化部と、前記第1炭化部の下流に直結され前記バイオマス原料を300〜500℃の温度で更に炭化させる第2炭化部よりなり、さらに、前記炭化部の前記取出部の下流に直結され、前記炭化部から取り出された前記バイオマス材料を取り込み、700〜1000℃の温度でガス賦活処理を行い、活性炭を製造するとともに、還元ガスを生成する第1賦活炉と前記第1賦活炉から前記還元ガスを取り込み、発電を行う第1のSOFC燃料電池を有することを特徴とするバイオマス燃料電池発電システム。
  2. 投入物としてバイオマス原料を投入する投入部、及び前記バイオマス原料の炭化物を取り出す取出部を有するシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し、前記バイオマス原料を前記投入部から前記取出部に向かって押し出すスクリューとを有するエクストルーダーを備え、前記バイオマス原料を150〜300℃の温度で乾燥・炭化させる第1炭化部と、前記第1炭化部の前記取出部の下流に直結され、前記第1炭化部から取り出された前記バイオマス材料を取り込み、1100〜1300℃の温度で酸化・燃焼させるとともに還元ガスを生成するガス化炉と、前記ガス化炉から前記還元ガスを取り込み、発電を行う第2のSOFC燃料電池を有することを特徴とするバイオマス燃料電池発電システム。
  3. 投入物としてバイオマス原料を投入する投入部、及び前記バイオマス原料の炭化物を取り出す取出部を有するシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し、前記バイオマス原料を前記投入部から前記取出部に向かって押し出すスクリューとを有するエクストルーダーを備えた炭化部を有し、前記炭化部が、前記バイオマス原料を150〜300℃の温度で乾燥・炭化させる第1炭化部と、前記第1炭化部の下流に直結され前記バイオマス原料を300〜500℃の温度で更に炭化させる第2炭化部よりなり且つ前記第1炭化部と前記第2炭化部がそれぞれ前記バイオマス原料の炭化物を取り出す取出部を有し、前記炭化部の前記取出部の下流に直結され、前記炭化部から取り出された前記バイオマス材料を取り込み、700〜1000℃の温度でガス賦活処理を行う活性炭を製造するとともに、還元ガスを生成する第1賦活炉と、前記第1賦活炉から前記還元ガスを取り込み、発電を行う第1のSOFC燃料電池を含む第1の経路と、前記第1炭化部の下流に直結され、前記第1炭化部から取り出されたバイオマス原料を取り込み、1100〜1300℃の温度で酸化・燃焼させるとともに還元ガスを生成するガス化炉と、前記ガス化炉の前記取出部の下流に直結され、前記ガス化炉から前記還元ガスを取り込み、発電を行う第2のSOFC燃料電池を含む第2の経路と、前記第1炭化部と前記第2炭化部との間に経路を前記第1の経路と前記第2の経路に切り替えるあるいは分配する切替/分配手段を有することを特徴とするバイオマス燃料電池発電システム。
  4. 原材料にバイオマス原料とリグニンク成分を併用することを特徴とする前記第1から第3のいずれか一項に記載のバイオマス燃料電池発電システム。
  5. 前記エクストルーダーは2軸のエクストルーダーであることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のバイオマス燃料電池発電システム。
  6. 前記第1の賦活炉として、回転型賦活炉を用いることを特徴とする請求項1又は3に記載のバイオマス燃料電池発電システム。
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