(57)【要約】【課題】電力や都市ガスなどの高価なユーティリティの消費を抑え且つ比較的簡単な構成と運転障害の少ない方法により、バイオマスなどの熱分解ガスから高純度の水素を経済的に回収する。【解決手段】バイオマスなどの有機物の熱分解で生成する還元性ガスを固体酸化物電解質を隔膜として使用する高温水蒸気電解槽の陽極側に供給し、電解槽の陽極側で酸素イオンを該還元性ガスと反応させて酸素イオンの濃度勾配を生じさせることにより、水の分解に要する電解電圧を下げて少ない電力消費で高純度の水素を得る。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物の熱分解で生成する還元性ガスを固体酸化物電解質を隔膜として使用する高温水蒸気電解槽の陽極側に供給し、陽極側で酸素イオンを該還元性ガスと反応させて酸素イオンの濃度勾配を生じさせることにより、電解電圧を低減せしめることを特徴とする、高純度水素の製造方法。
【請求項２】
熱分解原料の有機物を廃木材・生ごみなどのバイオマスとすることを特徴とする、請求項１に記載の高純度水素の製造方法。
【請求項３】
廃木材・生ごみなどのバイオマスを熱分解する熱分解炉と、固体酸化物電解質を隔膜として使用する高温水蒸気電解槽と、熱分解炉からの生成ガスを電解槽の陽極側に供給する管路、および水蒸気を電解槽の陰極側に供給する管路などで構成したことを特徴とする、高純度水素の製造装置。
【請求項４】
熱分解炉を熱分解流動層と燃焼流動層の２層で構成して両層間に熱媒体を循環せしめる２層循環方式とし、熱分解ガスへの燃焼ガスの混入を防いで高濃度の還元性ガスを電解槽に供給することを特徴とする、請求項３に記載の高純度水素の製造装置。
【請求項５】
熱分解炉からの生成ガスを電解槽の陽極側に供給するガスの管路と電解槽の陰極側に供給する水蒸気の管路とにそれぞれ流量制御弁を設けて運転条件を最適制御することを特徴とする、請求項３に記載の高純度水素の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、有機物例えば廃木材・生ごみなどのバイオマス原料の熱分解で生成する水素や一酸化炭素を主成分とする熱分解ガスから、高純度の水素を回収する方法と装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃木材・生ごみなどのバイオマスを熱分解して得られる水素と一酸化炭素を主成分とする熱分解ガスは、水蒸気改質で水素化した後に水素を分離精製して燃料電池用燃料として有効に利用できる。しかし、最近実用化に近い技術として期待されている高分子電解質燃料電池では白金を触媒として使用しているために燃料の水素中に含まれる一酸化炭素をほぼゼロにする必要があり、高純度水素を得るためのガス改質・精製が煩瑣であり操作性や経済性が問題となる。また、熱分解ガスで発電した電力を利用する電解法では比較的簡単な構成で高純度の水素が得られるが、電力消費が極めて大きい。これに対し、８００℃以上の高温で電解して水の分解に熱エネルギーを使って電解電圧を下げて電解電力の低減を図る高温水蒸気電解法があるが、それでもなお水の分解エネルギーの６０％以上を電力で補う必要がある。この高温水蒸気電解法の改善策として、米国特許６，０５１，１２５では電解槽の陽極に天然ガスを供給して陽極側への酸素移動に要する電解電圧を低下せしめる方法が提案されているが、この方法は高価な天然ガスを消費する欠点があるのみならず天然ガスと酸素の反応で析出する炭素による電極の汚染を防止する対策が必要になるなどで、実用上問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上に鑑みこの発明は、電力や都市ガスなどの高価なユーティリティの消費を抑え、且つ比較的簡単な構成と運転障害の少ない方法により、バイオマスなどの熱分解ガスから高純度の水素を経済的に回収する方法と装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、▲１▼廃木材・生ごみなどのバイオマスの熱分解ガスが水素と一酸化炭素を主成分とする還元性ガスであること、▲２▼高温水蒸気電解槽の陽極側に▲１▼の還元性ガスを供給して陽極側で酸素イオンと反応させることにより電解電圧を大幅に下げ得ること、▲３▼水素と一酸化炭素を主成分とする▲１▼の還元性ガスの酸化反応では炭素の析出がなく電極を汚染する恐れがないこと、▲４▼熱分解炉を２層循環方式とすることによって熱分解ガスに燃焼ガスが混入せず還元性ガスの濃度が高められ、電解槽やその関連装置をコンパクトにできるのみならず熱損失を減らせることなどの諸事実に着目し、熱分解ガス化炉と高温水蒸気電解槽との相乗効果により上記課題を解決するものである。
【０００５】
すなわち、請求項１に記載の発明は、有機物の熱分解で生成する還元性ガスを固体酸化物電解質を隔膜として使用する高温水蒸気電解槽の陽極側に供給し、陽極側で酸素イオンを該還元性ガスと反応させて酸素イオンの濃度勾配を生じさせることにより、電解電圧を低減せしめることを特徴とする、高純度水素の製造方法である。
【０００６】
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、熱分解原料の有機物を廃木材・生ごみなどのバイオマスとすることを特徴とする、高純度水素の製造方法である。
【０００７】
また請求項３に記載の発明は、廃木材・生ごみなどのバイオマスを熱分解する熱分解炉と、固体酸化物電解質を隔膜として使用する高温水蒸気電解槽と、熱分解炉からの生成ガスを電解槽の陽極側に供給する管路、および水蒸気を電解槽の陰極側に供給する管路などで構成したことを特徴とする、高純度水素の製造装置である。
【０００８】
また請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の装置において、熱分解炉を熱分解流動層と燃焼流動層の２層で構成して両層間に熱媒体を循環せしめる２層循環方式とし、熱分解ガスへの燃焼ガスの混入を防いで高濃度の還元性ガスを電解槽に供給することを特徴とする、高純度水蒸気の製造装置である。
【０００９】
また請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の装置において、熱分解炉からの生成ガスを電解槽の陽極側に供給するガスの管路と電解槽の陰極側に供給する水蒸気の管路とにそれぞれ流量制御弁をを設けて運転条件を最適制御することを特徴とする、高純度水素の製造装置である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図１に示す実施例のフロー図を参照して説明する。
図１において、熱分解炉１は水蒸気６を流動化ガスとする熱分解流動層２と、空気７を流動化ガスとする燃焼流動層３、および熱媒体移動層４で構成されている。廃木材・生ごみなどのバイオマスを有機物原料とする原料５は熱分解流動層２に供給されて熱媒体（砂）の熱で熱分解され、ここで水素と一酸化炭素を主成分とする還元性の熱分解ガス８およびチャー類に分解される。生成したチャー類は熱媒体と共に熱媒体移動層４を通って燃焼流動層３内で燃焼し、加熱昇温した熱媒体は熱媒体移動層４を通って熱分解流動層２に還流する。燃焼流動層３から排出される燃焼排ガス１２の廃熱は別途利用することができる。また熱分解流動層２の流動化ガスとして、水蒸気６に代えて熱分解ガス８の一部を循環して使用してもよい。生成した熱分解ガス８はガスの流量調整弁９を介してガスの管路１０と管路１１に配分制御され、管路１０のガスは高温水蒸気電解槽１３の陽極側１５に供給され、管路１１のガスはガス貯槽（図示せず）にプールされてガスエンジン発電などに利用される。
【００１１】
高温水蒸気電解槽１３は固体酸化物電解質の隔膜１４によって陽極側１５と陰極側１６に仕切られており、電力１７をＡＣ−ＤＣ変換器１８で直流に変換して電解槽に通電すると、陰極側１６に供給された高温水蒸気１９は電解作用で水素２０と酸素２１に分解される。酸素２１は固体酸化物電解質の隔膜１４を選択的に通過して電圧駆動力で陽極側１５に移動し、水素２０が回収される。陽極側１５では酸素２１が還元性の熱分解ガス８と反応して消費され、酸素イオンが濃度勾配を生ずるので水の分解に必要な電解電圧が下がり、電力消費量は大幅に低減される。陽極側１５で生成する高温排ガス２２は熱交換器２３を経て低温排ガス２４として系外に排出される。熱交換器２３で製造された水蒸気６は前記流動化ガスとして利用でき、高温水蒸気１９は流量調整弁２６を介して管路２７と管路２８に配分制御され、管路２７の高温水蒸気１９は前記のように陰極側１６に、また管路２８の高温水蒸気は発電などに利用される。図中２５は純水を示す。
【００１２】
高温水蒸気電解槽１３の実用化に際しては、（ａ）電解槽１３の容積を可及的に小さくすること、（ｂ）隔膜１４の温度が８００℃の高温に達するので熱損失を少なくすること、（ｃ）還元性ガスとの反応で電極を汚染する炭素の析出がないこと、などが望まれる。これらの要件に対して、前記のように２層循環方式の熱分解炉１の熱分解ガス８には燃焼排ガス１２が混入せず、例えば木質原料を約８００℃で熱分解した場合の熱分解ガス８の組成は、水素約５７％、一酸化炭素約２６％、二酸化炭素約１２％、と極めて高濃度の還元性ガスになる。従ってこのガスを受入れる電解槽１３や熱交換器２３の容積も小さくなり、廃熱や熱放射に基づく熱損失も少なくなる。また、還元性ガスは水素と一酸化炭素を主成分とするので酸素との反応で炭素析出に伴う電極汚染の恐れがない。
【００１３】
電解に要する電力１７は、低価格の夜間電力の他に、ガス管路１１経由の余剰熱分解ガスによるガスエンジン発電や管路２８経由の余剰高温水蒸気によるスチームタービン発電などの自家発電電力が用いられる。高温水蒸気電解槽１３に供給される熱分解ガス８及び高温水蒸気１９の量は、それぞれ流量調整弁９、２６によって、電解槽１３の運転温度（約８００℃）の維持及び入力電力量と発生水素量に見合った最適条件での運転を維持するように、自動制御するとよい。
【００１４】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１５】
熱分解ガス化炉と高温水蒸気電解槽との相乗効果により、電力や都市ガスなどの高価なユーティリティの消費を抑え且つ比較的簡単な構成と運転障害の少ない方法で、低価値のバイオマスなどから高分子電解質燃料電池の燃料として利用可能な高純度の水素を経済的に回収できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のフロー図である。
【符号の説明】
１　熱分解炉
２　熱分解流動層
３　燃焼流動層
４　熱媒体移動層
５　原料
６　水蒸気
７　空気
８　熱分解ガス
９　ガスの流量調整弁
１０、１１、ガスの管路
１２　燃焼排ガス
１３　高温水蒸気電解槽
１４　固体酸化物電解質の隔膜
１５　陽極側
１６　陰極側
１７　電力
１８　ＡＣ−ＤＣ変換器
１９　高温水蒸気
２０　水素
２１　酸素
２２　高温排ガス
２３　熱交換器
２４　低温排ガス
２５　純水
２６　水蒸気の流量調整弁
２７、２８　水蒸気の管路
【図１】
2004060041.tif 000003