JP6116687B2 - バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法 - Google Patents

バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6116687B2
JP6116687B2 JP2015522869A JP2015522869A JP6116687B2 JP 6116687 B2 JP6116687 B2 JP 6116687B2 JP 2015522869 A JP2015522869 A JP 2015522869A JP 2015522869 A JP2015522869 A JP 2015522869A JP 6116687 B2 JP6116687 B2 JP 6116687B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
exhaust gas
fuel cell
reformer
solid oxide
oxide fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015522869A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2014203806A1 (ja
Inventor
高木　義信
義信 高木
真人 川見
真人 川見
祥広 浅利
祥広 浅利
良典 酒井
良典 酒井
大祐 橋本
大祐 橋本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Zosen Corp
Original Assignee
Hitachi Zosen Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Zosen Corp filed Critical Hitachi Zosen Corp
Publication of JPWO2014203806A1 publication Critical patent/JPWO2014203806A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6116687B2 publication Critical patent/JP6116687B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/12—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing fuels or solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M43/00—Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus
    • C12M43/08—Bioreactors or fermenters combined with devices or plants for production of electricity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1229—Ethanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288—Evaporation of one or more of the different feed components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/169—Controlling the feed
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Description

本発明は、バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と略記する場合もある）の組合せシステムにおける省エネルギー化方法に関する。
バイオエタノールは、これを自動車燃料として使用するには９９．５ｗｔ％以上の高濃度エタノールを必要とするため、エタノール濃縮、蒸留／精製に多大なエネルギーを消費するという難点がある。
一方、ＳＯＦＣシステムは、２５〜３５ｗｔ％のエタノール水溶液を気化・改質して水素ガスを発生させる改質器と、この水素ガスで発電を行うＳＯＦＣとを備えるもので、蒸留／精製塔を必要としない。
そこで、従来から、バイオエタノール製造装置とＳＯＦＣを組合せることで、消費エネルギーコストおよび設備コストを削減することを企図したシステムがいくつか提案されている。
たとえば、特許文献１には、バイオエタノール製造装置の蒸留塔から濃度３０〜７０ｗｔ％の含水エタノール蒸気を頂部から抜き出す手段と、該頂部蒸気から改質ガスを製造する改質手段とを備え、かつ、該改質ガスを燃料として作動するＳＯＦＣを設けた組合せシステムが提案されている。
また、特許文献２には、水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された炭化水素原料から水素を含む改質ガスを生成する改質装置と、この改質ガスをアノード電極に供給して発電を行う燃料電池と、発電に伴って生成した水分を含むアノードオフガスの少なくとも一部をエジェクタを介して改質装置の入口に導入するアノードオフガス導入手段とを備えた燃料電池システムが記載されている。
特許文献３には、エタノール発酵液から得られた濃度１５．４〜４６ｗｔ％のエタノール燃料を気化させて、水蒸気とエタノールの混合気にし、これを改質反応部に供給して改質して水素を含む改質ガスを生成させ、この改質ガスをＳＯＦＣに供給して発電を行う燃料電池発電システムが記載されている。
また、バイオエタノールを水蒸気改質して燃料電池に供給するのに適した水素リッチガスを得る方法の研究が非特許文献１に報告され、そのＦｉｇ．１にはエタノール発酵液の蒸留により４５〜５５ｗｔ％の含水エタノール蒸気を得る工程と、この含水エタノール蒸気を改質して水素を含む改質ガスを生成させる工程と、この改質ガスを燃料として燃料電池で発電を行う工程とからなる発電システムが示され、さらに燃料電池から出る排ガスの熱を蒸留工程や改質工程へ送って利用することが示されている。
特開２００７−２０４０７号公報 特開２００７−１２８６８０号公報 特開２０１１−１８７３２８号公報
Catalysis Today 75 (2002) 145-155
上述した従来技術は、バイオエタノール製造における消費エネルギーの削減をある程度達成できるが、まだ十分なものではない。
本発明は、上記のような実情から、バイオエタノール製造装置とＳＯＦＣを組合せたシステムにおいて、ＳＯＦＣの発電効率を一層向上させることができ、発酵液の蒸留に要するエネルギーのさらなる削減を達成することができる方法を提供することを目的とする。
請求項１に係る発明は、バイオエタノール製造装置の発酵槽で生成する発酵液を蒸留して含水エタノール蒸気を塔頂から留出するもろみ塔と、含水エタノール蒸気から改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを燃料として作動する固体酸化物型燃料電池とを組合せてなるシステムにおいて、含水エタノール蒸気のエタノール濃度を固体酸化物型燃料電池のアノード排ガス中の水分で２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整するために、もろみ塔から改質器への含水エタノール蒸気ラインにアノード排ガスの一部を還流比［還流ガス流量/（アノード排ガス−還流ガス）流量］１〜２で還流し、固体酸化物型燃料電池のアノード排ガスの残部とカソード排ガスとを改質器用触媒燃焼器およびもろみ塔のリボイラ用触媒燃焼器に供給して、アノード排ガス中の可燃成分をカソード排ガス中の酸素で燃焼させ、改質器用触媒燃焼器で発生した熱を改質器の加熱に用い、リボイラ用触媒燃焼器で発生した熱をもろみ塔の塔底液の加熱に用いることを特徴とする、バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法である。
アノード排ガス中にはＳＯＦＣの発電に伴って生じた水分が含まれているので、アノード排ガスの一部をもろみ塔から改質器への含水エタノール蒸気ラインに所定還流比で還流することで、改質器へ供給する含水エタノール蒸気のエタノール濃度をアノード排ガス中の水分で２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整することができる。
上記還流比の好ましい範囲は１．２〜１．８である。還流比が１未満ではＳＯＦＣの発電効率の向上が認められず、還流比が１より大きくなるに連れてＳＯＦＣの発電効率および総合的熱効率が高くなるが、還流比２を超えるとこれらの効率は横ばいとなりそれ以上には上がらない。
また、還流比を大きくするにはブロアやエジェクタの負荷を増す必要があるので、この点でも還流比の上限は２とする。
アノード排ガス中にはＨ ２ （３〜１０vol％）、ＣＯ（０〜１０vol％）等の可燃成分が含まれ、カソード排ガス中には酸素が５〜１０vol％含まれているので、該可燃成分を該酸素で触媒燃焼器で燃焼し、生じた熱を改質器およびもろみ塔の塔底液の加熱に有効利用する。改質器用触媒燃焼器およびリボイラ用触媒燃焼器は公知のものであって良い。
請求項２に係る発明は、もろみ塔から留出する含水エタノール蒸気のエタノール濃度を３５〜６０ｗｔ％とすることを特徴とする、請求項１に記載のバイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法である。
請求項３に係る発明は、もろみ塔から留出する含水エタノール蒸気のエタノール濃度を５５〜６０ｗｔ％とすることを特徴とする、請求項１に記載のバイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法である。
１．改質器において、改質触媒の性能を十分に且つ耐久的に発揮させてエタノールを気化・改質して水素ガスを発生させるには、含水エタノール蒸気のエタノール濃度を２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整する必要がある。
請求項１に係る発明では、もろみ塔から改質器への含水エタノール蒸気ラインにＳＯＦＣから出るアノード排ガスの一部を還流比［還流ガス流量/（アノード排ガス−還流ガス）流量］１〜２で還流することで、改質器へ供給する含水エタノール蒸気のエタノール濃度をアノード排ガス中の水分で２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整することができる。
２．ＳＯＦＣセルスタックにおいては、一般にアノード供給ガス中の燃料成分（Ｈ２、ＣＯ等）の利用率は７０％前後とされている。これはアノード供給ガス中の燃料成分の濃度が低すぎるとセルが破損するためである。
請求項１に係る発明では、上述のようにアノード排ガスの一部をもろみ塔から改質器への含水エタノール蒸気ラインに所定還流比で還流することで、アノード供給ガス中の燃料成分の濃度を高めることができ、これによって燃料の利用率を９０％程度に向上させることができ、以て発電効率の向上を達成することができる。
３．改質器においては、上述したように、含水エタノール蒸気のエタノール濃度を２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整する必要があるが、もろみ塔では、濃度２５〜３５ｗｔ％の範囲で含水エタノール蒸気を塔頂から留出させようとすると、多大な消費エネルギーを要する。請求項１に係る発明では、上述のようにアノード排ガスの一部をもろみ塔から改質器への含水エタノール蒸気ラインに所定還流比で還流することで含水エタノール蒸気のエタノール濃度を２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整することができるので、もろみ塔から留出する含水エタノール蒸気のエタノール濃度は３５〜６０ｗｔ％、さらには５５〜６０ｗｔ％であってもよくなり、もろみ塔のリボイラの消費エネルギーを必要最小限に抑えることができる。
４．請求項１に係る発明では、さらに、ＳＯＦＣのアノード排ガスの残部とカソード排ガスとを改質器用触媒燃焼器およびもろみ塔のリボイラ用触媒燃焼器に供給して、アノード排ガス中の可燃成分（Ｈ２、ＣＯ等）をカソード排ガス中の酸素で燃焼させ、改質器用触媒燃焼器およびリボイラ用触媒燃焼器で熱を発生させることができるので、この熱を改質器およびもろみ塔の塔底液の加熱に有効に利用することができる。
図１は、本発明の実施形態を示すフロー図である。 図２は、効率に対するアノード排ガス還流効果を示すグラフである。 図３は、もろみ塔の塔頂蒸気濃度と消費エネルギーの関係を示すグラフである。
次に、本発明を図示の実施態様に基づいて具体的に説明する。
図１において、本発明によるバイオエタノール製造装置とＳＯＦＣの組合せシステムは、バイオエタノール製造装置の発酵槽で生成する発酵液を蒸留して含水エタノール蒸気を塔頂から留出するもろみ塔と、含水エタノール蒸気から改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを燃料として作動するＳＯＦＣとの組合せで構成されている。
このシステムにおいて、エタノール濃度５ｗｔ％の発酵液をポンプ（１）によって熱回収器（２）を経てもろみ塔の頂部に供給する。もろみ塔はたとえば蒸留段数４０段を有し、１００〜１５４℃の範囲で発酵液を蒸留するもので、もろみ塔の底部から塔底液が抜き出され、その一部は触媒燃焼器／リボイラで加熱された後、もろみ塔の底部に戻され、塔底液の残部は熱回収器（２）を経てエタノール濃度０．１ｗｔ％未満の排水として排出される。
他方、もろみ塔の塔頂からは温度：９０〜１３０℃、圧力：大気圧〜４３０ｋPaGで、エタノール濃度３５〜６０ｗｔ％の含水エタノール蒸気が留出される。この含水エタノール蒸気は熱回収器（３）を経て改質器に送られ、ここでエタノールは気化・改質されて水素を含む改質ガスが発生させられる。この改質ガスは約７００℃で稼働するＳＯＦＣユニットのアノードへ送られ、発電に供される。ＳＯＦＣユニットのカソードには、空気がブロア（４）によって熱回収器（５）を経て送り込まれ、空気中の酸素が発電に用いられる。
アノード排ガスの一部は、もろみ塔の塔頂から改質器への含水エタノール蒸気ライン（６）上に設けられたエジェクタ（７）に還流比［還流ガス流量/（アノード排ガス−還流ガス）流量］約１．５で還流される。この還流によって、ＳＯＦＣのアノード排ガス中の水分で含水エタノール蒸気のエタノール濃度が２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整される。
上述のようにアノード排ガスの一部をもろみ塔から改質器への含水エタノール蒸気ラインに所定還流比で還流することで、アノード供給ガス中の燃料成分（Ｈ２、ＣＯ等）の濃度を高めることができ、これによって燃料成分の利用率を９０％程度に向上させることができ、発電効率の向上を達成することができる。
また、上述のようにアノード排ガスの一部をもろみ塔から改質器への含水エタノール蒸気ラインに所定還流比で還流するので、温度：９０〜１３０℃、圧力：大気圧〜４３０ｋPaGでもろみ塔から留出する含水エタノール蒸気のエタノール濃度を２５〜３５ｗｔ％（還流比1〜2とした場合）とすることができる。こうして、もろみ塔のリボイラの消費エネルギーを必要最小限に抑えることができる。
ＳＯＦＣのアノード排ガスの残部とカソード排ガスとを合流し、この合流ガスの少なくとも一部を改質器用触媒燃焼器、改質器および熱回収器（３）を通るように迂回させた後、合流ガスの非迂回部分に合わせる。改質器用触媒燃焼器においてアノード排ガスに由来する可燃成分（Ｈ２、ＣＯ等）はカソード排ガスに由来する酸素で燃焼され、生じた熱が改質器の加熱に用いられる。合流ガスは次いでもろみ塔のリボイラ用触媒燃焼器へ送られ、ここでもアノード排ガスに由来する可燃成分（Ｈ２、ＣＯ等）はカソード排ガスに由来する酸素で燃焼され、生じた熱がもろみ塔の塔底液の加熱に用いられる。
図３には、もろみ塔の塔頂蒸気濃度と消費エネルギーの関係が示されている。同図のグラフは、エタノール濃度５ｗｔ％の発酵液を塔頂圧力５０ｋＰａＧで脱水濃縮する際に必要なリボイラ熱量について、塔頂蒸気濃度が変化した際に必要な熱量がどのように変化するか試算した結果を示すものである。改質器においては、改質触媒の性能を十分に且つ耐久的に発揮させてエタノールを気化・改質して水素ガスを発生させるには、含水エタノール蒸気のエタノール濃度を２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整する必要があるが、もろみ塔においては含水エタノールをエタノール濃度３５〜６０ｗｔ％の範囲に濃縮する条件が最も消費エネルギーが少ない。６０ｗｔ％を超える範囲まで含水エタノールを濃縮する条件では、消費エネルギーは増大する。リボイラ熱量は、プロセスシミュレータ-（ASPEN）を用いて計算したものである。エタノール濃度５ｗｔ％の発酵液を９０℃程度で蒸留し、蒸留塔段数を４０段とした。蒸留塔の塔頂蒸気濃度が低濃度域では単蒸留と言われる操作になり、濃度が高くなるほど水の蒸発潜熱が少なくて済み、リボイラ熱量は減少していく。ある程度の濃度（試算では約５５ｗｔ％）になると、単蒸留では濃縮が不可能となり、還流操作が必要となってくるため、リボイラ熱量が増加する。これより高い濃縮域では、消費エネルギーは増加する一方である。
本発明は、バイオエタノール製造装置とＳＯＦＣを組合せたシステムにおいて、ＳＯＦＣの発電効率を一層向上させ、発酵液の蒸留に要するエネルギーのさらなる削減を達成するために有効に適用できる。
（１）：ポンプ
（２）、（３）、（５）：熱回収器
（４）：ブロア
（６）：含水エタノール蒸気ライン
（７）：エジェクタ

Claims (3)

  1. バイオエタノール製造装置の発酵槽で生成する発酵液を蒸留して含水エタノール蒸気を塔頂から留出するもろみ塔と、含水エタノール蒸気から改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを燃料として作動する固体酸化物型燃料電池とを組合せてなるシステムにおいて、
    含水エタノール蒸気のエタノール濃度を固体酸化物型燃料電池のアノード排ガス中の水分で２５〜３５ｗｔ％の範囲に調整するために、もろみ塔から改質器への含水エタノール蒸気ラインにアノード排ガスの一部を還流比［還流ガス流量/（アノード排ガス−還流ガス）流量］１〜２で還流し、
    固体酸化物型燃料電池のアノード排ガスの残部とカソード排ガスとを改質器用触媒燃焼器およびもろみ塔のリボイラ用触媒燃焼器に供給して、アノード排ガス中の可燃成分をカソード排ガス中の酸素で燃焼させ、改質器用触媒燃焼器で発生した熱を改質器の加熱に用い、リボイラ用触媒燃焼器で発生した熱をもろみ塔の塔底液の加熱に用いることを特徴とする、
    バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法。
  2. もろみ塔から留出する含水エタノール蒸気のエタノール濃度を３５〜６０ｗｔ％とすることを特徴とする、
    請求項１に記載のバイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法。
  3. もろみ塔から留出する含水エタノール蒸気のエタノール濃度を５５〜６０ｗｔ％とすることを特徴とする、
    請求項１に記載のバイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法。
JP2015522869A 2013-06-17 2014-06-13 バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法 Active JP6116687B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013126296 2013-06-17
JP2013126296 2013-06-17
PCT/JP2014/065666 WO2014203806A1 (ja) 2013-06-17 2014-06-13 バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2014203806A1 JPWO2014203806A1 (ja) 2017-02-23
JP6116687B2 true JP6116687B2 (ja) 2017-04-19

Family

ID=52104541

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015522869A Active JP6116687B2 (ja) 2013-06-17 2014-06-13 バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9680173B2 (ja)
EP (1) EP3012894B1 (ja)
JP (1) JP6116687B2 (ja)
CN (1) CN105283992B (ja)
BR (1) BR112016003156A2 (ja)
WO (1) WO2014203806A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105602845A (zh) * 2016-01-26 2016-05-25 柳州易农科技有限公司 提高乙醇回收率的装置
CN105543087A (zh) * 2016-01-26 2016-05-04 柳州易农科技有限公司 一种制备酒精的装置
CN105543086A (zh) * 2016-01-26 2016-05-04 柳州易农科技有限公司 一种生产乙醇的设备

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6012968A (ja) * 1983-07-04 1985-01-23 Tsukishima Kikai Co Ltd エチルアルコ−ルの多重効用式抽出蒸留法
US5736026A (en) * 1996-02-05 1998-04-07 Energy Research Corporation Biomass-fuel cell cogeneration apparatus and method
AUPS244802A0 (en) 2002-05-21 2002-06-13 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell system
JP2005146311A (ja) * 2003-11-12 2005-06-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質装置および改質ガスの製造方法
EP1715540B1 (en) * 2004-01-14 2013-05-22 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell power generating device
JP2007531971A (ja) * 2004-03-30 2007-11-08 カリフォルニア・インスティチュート・オブ・テクノロジー 固体酸電解質を使用する直接型アルコール燃料電池
JP4771307B2 (ja) * 2005-07-12 2011-09-14 日立造船株式会社 バイオマスエタノール製造装置
JP4557849B2 (ja) * 2005-09-14 2010-10-06 株式会社東芝 エタノールからの水素製造方法
EP1768207B1 (en) 2005-09-27 2010-08-18 Haldor Topsoe A/S Method for generating electricity using a solid oxide fuel cell stack and ethanol
JP2007128680A (ja) 2005-11-01 2007-05-24 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム
JP2007311072A (ja) 2006-05-16 2007-11-29 Acumentrics Corp 燃料電池システム及びその運転方法
US8273487B2 (en) * 2006-09-19 2012-09-25 Bloom Energy Corporation Fuel cell system with fuel distillation unit
JP2008280219A (ja) * 2007-05-11 2008-11-20 Toshiba Corp 水素製造用アルコールおよび水素の製造方法
JP2011187328A (ja) * 2010-03-09 2011-09-22 Honda Motor Co Ltd 燃料電池発電システム
JP2012111725A (ja) * 2010-11-26 2012-06-14 Honda Motor Co Ltd エタノール製造装置
JP2012160361A (ja) * 2011-02-01 2012-08-23 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
CN102716595A (zh) * 2012-07-03 2012-10-10 宿州中粮生物化学有限公司 酒精两塔蒸馏装置中醪塔再沸器换热量的控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105283992B (zh) 2018-06-26
EP3012894B1 (en) 2019-08-28
CN105283992A (zh) 2016-01-27
US9680173B2 (en) 2017-06-13
EP3012894A1 (en) 2016-04-27
US20160149243A1 (en) 2016-05-26
JPWO2014203806A1 (ja) 2017-02-23
BR112016003156A2 (pt) 2024-01-23
WO2014203806A1 (ja) 2014-12-24
EP3012894A4 (en) 2016-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102598383B (zh) 控制阳极再循环的方法和设备
JP4771307B2 (ja) バイオマスエタノール製造装置
CN104124462A (zh) 一种对电堆阳极尾气进行回收利用的固体氧化物燃料电池系统
Rossetti et al. H2 production from bioethanol and its use in fuel-cells
CN205222680U (zh) 一种零碳排放的甲醇水重整制氢系统及其燃料电池汽车
JP6116687B2 (ja) バイオエタノール製造装置と固体酸化物型燃料電池の組合せシステムにおける省エネルギー化方法
US20190190050A1 (en) Solid oxide fuel cell system
JP2007141772A (ja) 燃料電池システム
CN204189882U (zh) 一种基于甲醇水制氢系统的发电机
Jamsak et al. Thermodynamic assessment of solid oxide fuel cell system integrated with bioethanol purification unit
JP2001348204A (ja) 燃料改質方法及び燃料改質装置
CN109638331B (zh) 一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统
JP2011187328A (ja) 燃料電池発電システム
US20140053561A1 (en) Aircraft fuel cell system, aircraft and use of a synthetic fuel
JP2007265757A (ja) 燃料電池発電システム
JP2018181800A (ja) 燃料電池システム
CA2679184C (en) Exhaust gas purification system for a fuel cell or a fuel cell stack
JP5461880B2 (ja) 燃料電池用改質装置
JP4917791B2 (ja) 燃料電池システム
JP2024011927A (ja) 電解システム
US20110195326A1 (en) Closed loop, fuel cell powered production of sodium chlorate
JP6361910B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
KR101401451B1 (ko) 열교환형 촉매 산화기 및 이를 이용한 고농도 이산화탄소 회수장치
TWI388083B (zh) 高溫燃料電池熱能管理系統
CN116799266A (zh) 一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170221

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170321

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6116687

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250