(57)【要約】    【目的】水電解装置で得た酸素がバイオマスのガス化に簡便に利用され、バイオマスガス化装置の排熱、生成水が有効に活用される効率的な装置を得る。    【構成】電解槽１１に加圧した電解用水を供給して水電解を行い、得られた高圧の酸素を圧力調整弁１６で調整してバイオマスガス化装置３のガス化炉３１へ送りバイオマスをガス化する。また、乾燥炉３２で得られた水蒸気を電解用水第一熱交換器２３に送るとともに、改質炉３３で得られた高温ガスを電解用水第二熱交換器２４に送って電解用水を加熱する。さらに、冷却器３８で得られた回収水を貯水タンク２１に送って電解用水として利用する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解槽に貯えた電解用水を水電解することによって水素を得る水電解装置と、乾燥炉で加熱乾燥したバイオマスを酸化剤とともにガス化炉に導入し、熱分解することによって水素を得るバイオマスガス化装置とからなる水素製造装置で、水電解装置の水電解により得られた酸素をガス化炉に導入する前記の酸化剤として用いるものにおいて、バイオマスガス化装置の排熱が水電解装置の電解槽に貯えられる電解用水の加熱に用いられていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
バイオマスガス化装置の前記の排熱がバイオマスを加熱乾燥する前記の乾燥炉の排熱であることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
バイオマスガス化装置の前記の排熱がバイオマスを熱分解する前記のガス化炉の排熱であることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
電解槽に貯えた電解用水を水電解することによって水素を得る水電解装置と、乾燥炉で加熱乾燥したバイオマスを酸化剤とともにガス化炉に導入し、熱分解することによって水素を得るバイオマスガス化装置とからなる水素製造装置で、水電解装置の水電解により得られた酸素をガス化炉に導入する前記の酸化剤として用いるものにおいて、バイオマスガス化装置の排水に含まれる水分が前記水電解装置の電解用水として用いられていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項５】
電解槽に貯えた電解用水を水電解することによって水素を得る水電解装置と、乾燥炉で加熱乾燥したバイオマスを酸化剤とともにガス化炉に導入し、熱分解することによって水素を得るバイオマスガス化装置とからなる水素製造装置で、水電解装置の水電解により得られた酸素をガス化炉に導入する前記の酸化剤として用いるものにおいて、水電解装置の水電解が加圧状態に保持された電解用水を用いて行われ、得られた酸素が制御弁により圧力を調整されてガス化炉に導入されていることを特徴とする水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の電気分解（水電解）により水素を製造し、さらにこの水電解で生じる酸素を利用してバイオマスからも水素を製造する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギーが豊富な地域においては、余剰電力により水を電気分解して水素ガスを製造し、得られた水素ガスを貯蔵、あるいは輸送して燃料として使用することが検討されている。水電解装置により水を電気分解すると水素ガスと酸素ガスが得られるが、このうち水素ガスが特にクリーンな燃料として利用されるのに対して、同時に得られる酸素ガスは他の製造方法により製造された市販の酸素ガスに比べて高価となるため、通常、積極的に使用することなく大気中に排出されてきた。
一方、バイオマスから可燃性ガスを製造する際には、熱分解処理、ガス化処理、メタン発酵ガスの改質処理等の変換処理技術が用いられているが、このうち特にガス化処理の場合には一部を水素ガスに変換することができる。このガス化処理は吸熱反応であるので、一般にバイオマスの一部を燃焼させて反応の持続に必要な熱量を供給して、ガス化処理を行っている。この際一般に、空気を取込み、含まれる酸素を酸化剤として用いてバイオマスを燃焼させる方式が用いられている。このため、取込んだ空気中の窒素が生成ガス中に多量に含まれ、生成ガスの単位体積当たりのカロリー量が低下してしまうという難点がある。また、ガス化処理を行うガス化炉は加圧状態で運転される場合があるが、このように加圧状態で運転する際には、昇圧機器、ブロアー、コンプレッサー等の特別な装置が必要になるので、システムが複雑で、かつ高価となるという問題点がある。なお、水電解で得られる水素が純水素であるのに対して、バイオマスのガス化によって得られる水素には二酸化炭素や微量のメタン等の不純ガスが含まれているので、水電解による水素と同等の純水素とするためには精製する必要がある。しかしながら、精製しない水素でも燃料ガスとして十分使用できる。
【０００３】
上記のごとき水電解装置の特徴とバイオマスガス化装置の特徴を勘案したバイオマス原料によるメタノール製造方法及びその装置が、特許文献１に開示されている。この製造方法においては、バイオマスをガス化して生じた生成ガスに水電解装置で得られた水素を供給してメタノールを製造する方法や、バイオマスのガス化剤として水電解装置で得られた酸素を供給してメタノールを製造する方法が示されている。
【特許文献１】特開２００２−１９３８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、従来の水電解装置では、水素ガスとともに得られる酸素ガスが利用されることなく大気中に廃棄されており、必ずしも効果的なシステムとして構成されていない。特許文献１に開示されているものにおいては、水電解装置で得られた酸素をバイオマスのガス化装置にガス化剤として供給することによって酸素の有効活用を図っているものの、ガス化装置の各種変換処理に伴って生じる排熱の利用が加味されておらず、システムの熱的損失が極めて多いという欠点がある。
本発明はこのような技術の現状を考慮してなされたもので、本発明の目的は、水電解装置とバイオマスガス化装置とが効果的に連結され、水電解で得られた酸素がバイオマスのガス化に容易に利用されるとともに、排熱や回収水が有効に利用される水素製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
電解槽に貯えた電解用水を水電解することによって水素を得る水電解装置と、乾燥炉で加熱乾燥したバイオマスを酸化剤とともにガス化炉に導入し、熱分解することによって水素を得るバイオマスガス化装置とからなる水素製造装置で、水電解装置の水電解により得られた酸素をガス化炉に導入する前記の酸化剤として用いるものにおいて、
（１）バイオマスガス化装置の排熱、例えば、バイオマスを加熱乾燥する上記の乾燥炉の排熱や、バイオマスを熱分解する上記のガス化炉の排熱を水電解装置の電解槽に貯えられる電解用水の加熱に用いることとする。
（２）また、バイオマスガス化装置の排水に含まれる水分を水電解装置の電解用水として用いることとする。
【０００６】
（３）また、水電解装置の水電解を、加圧状態に保持された電解用水を用いて行い、得られた酸素を制御弁により圧力を調整してガス化炉に導入することとする。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）のごとくバイオマスガス化装置の乾燥炉の排熱やガス化炉の排熱を水電解装置の電解槽に貯えられる電解用水の加熱に用いれば、バイオマスガス化装置の排熱が有効に利用され、効率よく運転できる水素製造装置が得られる。また、上記（２）のごとくバイオマスガス化装置の排水に含まれる水分を水電解装置の電解水として用いれば、電解水として用いられる水の消費量が低減され、効率の良い水素製造装置が得られる。また、上記（３）のごとく水電解装置の水電解を加圧状態に保持された電解用水を用いて行い、得られた酸素を制御弁により圧力を調整してガス化炉に導入することとすれば、電解槽を耐圧構造とする必要があるが、水電解装置で得られた酸素をコンプレッサー等の加圧手段を介することなくバイオマスガス化装置のガス化炉に導入することができるので、構成がシンプルで、操作性に優れ、かつ効率の良い水素製造装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の水素製造装置の最良の実施形態は、電解槽に貯えた電解用水を水電解することによって水素を得る水電解装置と、乾燥炉で加熱乾燥したバイオマスを酸化剤とともにガス化炉に導入し、熱分解することによって水素を得るバイオマスガス化装置とからなる水素製造装置で、水電解装置の水電解により得られた酸素をガス化炉に導入する前記の酸化剤として用いるものにおいて、乾燥炉より排出された水分を含んだ高温の排出ガスにより電解槽に貯える電解用水を加熱する第一の熱交換器とガス化炉より排出された高温の排出ガスにより電解槽に貯える電解用水を加熱する第二の熱交換器を備え、さらに、第一の熱交換器で冷却された乾燥炉の排出ガスより水分を回収する冷却器と回収された回収水を電解用水の貯水タンクへと送る配管系を備え、さらに、電解用水が貯水タンクから加圧して供給される耐圧構造の電解槽を備え、電解槽での水電解により得られた酸素が制御弁により圧力を調整されてガス化炉へと供給されるように構成された形態にある。
【実施例】
【０００９】
図１は本発明の水素製造装置の代表的な実施例の構成を示すフロー図である。図において、１は水電解装置であり、３はバイオマスガス化装置である。
水電解装置１には、水電解用セルの積層体と陰極１１ａおよび陽極１１ｂとからなる電解槽１１が備えられており、陰極１１ａと陽極１１ｂの双方に電解用水を供給し、直流電源装置２５より陰極１１ａと陽極１１ｂとの間に直流電圧を印加することによって下記の式（１）のごとき水電解反応が生じて、陰極１１ａ側に水素ガス、陽極１１ｂ側に酸素ガスが発生する。
【００１０】
（化１）
２Ｈ2Ｏ  →  ２Ｈ2  ＋  Ｏ2      △Ｈ ＝ 286 kJ/mol        （１）
式（１）のように水電解反応が進行すると電解用水が消費されるため、両電極には常時電解用水が供給される。図に見られるごとく、電解用水には、外部より取込んだ市水をイオン交換樹脂２０を通して純化して得た純水が用いられており、貯水タンク２１に貯留させた常圧（約0.1MPa）の純水をコンプレッサー２２によって約1.0 MPaに加圧して耐圧構造に構成された電解槽１１の両極へと送られている。なお、電解用水の供給配管系には、バイオマスガス化装置３の排熱を利用して電解用水の加熱を行うための電解用水第一熱交換器２３，電解用水第二熱交換器２４が備えられている。また、水電解反応によって得られた水素ガスと酸素ガスは、それぞれ水素貯蔵タンク１２と酸素貯蔵タンク１３に貯蔵されたのち、圧力調整弁１５，１６および流量制御弁１４，１７，１８により制御されて、次段の装置へと送られ、消費される。
【００１１】
一方、バイオマスガス化装置３には、バイオマス原料を乾燥させるための乾燥炉３２、乾燥させたバイオマス原料をガス化するためのガス化炉３１、ガス化炉３１で得られたガスを水素リッチなガスへと改質する改質炉３３等が備えられており、改質ガスから更に水素のみを得る場合には、最終段に図示しない純水素精製装置が組込まれる。本実施例の構成においては、バイオマス原料を投入したガス化炉３１の下部に、水電解装置１の水電解反応によって得られた酸素ガスを、圧力調整弁１６および流量制御弁１７，１８により制御して導入し、図示しない点火装置を用いて点火し、燃焼させて、バイオマス原料のガス化のための熱量を得ている。本装置では水電解装置１の水電解反応を加圧状態で行わせているので、酸素貯蔵タンク１３に貯蔵された酸素ガスは約1.0MPaの高い圧力下にある。これに対してガス化炉３１は常圧に近い圧力で運転されるので、コンプレッサー等のガス加圧手段を備えなくとも酸素ガスをガス化炉３１に容易に導入することができる。
【００１２】
ガス化炉３１でガス化されたバイオマスガスは、供給ポンプ３６によって供給される水とともに改質炉３３に送られ、改質される。バイオマスを木質とするとバイオマスガスはセルロースが主成分であり、以下のごとき改質反応が800℃付近の温度で行われる。
【００１３】
（化２）
Ｃ6Ｈ10Ｏ5＋７Ｈ2Ｏ  →  ６ＣＯ2＋１２Ｈ2    △Ｈ＝710 kJ/mol   （２）
なお、この改質反応においては、反応を確実に起こさせるために、通常、反応式の理論値より多量の水蒸気が供給される。この反応は式に示したように吸熱反応であり、この反応を持続させるためには熱量を供給する必要がある。このため、ガス化炉３１で得られた可燃性ガスの一部を燃焼させる方法が用いられる。この燃焼反応の反応式は次式（３）に示した通りである。
【００１４】
（化３）
Ｈ2  ＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ      △Ｈ＝−286 kJ/mol      （３）
改質反応を終えて改質炉３３から排出される高温の生成ガスは、乾燥用空気熱交換器３４に送られて乾燥炉３２に送る乾燥用空気の加熱に使用され、さらに電解用水第二熱交換器２４へと送られて水電解装置１の電解槽１１に送られる電解用水の加熱に使用される。生成ガスはこれらの熱交換器での熱回収によって冷却されたのち、貯水タンク３５に回収される。回収された水の一部は、改質用水として供給ポンプ３６によって再び改質炉３３へと送られる。
乾燥炉３２では、バイオマス原料に含まれる水分を蒸発させるために水分１kg当たり約600 kcal（45.18 kJ/mol）の熱量が必要となるので、上記のごとく乾燥用空気を乾燥用空気熱交換器３４に流して高温生成ガスと熱交換させて加熱し、加熱した乾燥用空気を乾燥炉３２に送ってバイオマス原料を加熱、乾燥させる方法が採られている。乾燥炉３２の乾燥処理によって得られた水蒸気は電解用水第一熱交換器２３へと送られ、水電解装置１の電解槽１１に送られる電解用水の加熱に使用される。電解用水第一熱交換器２３における熱交換によって冷却された水蒸気は続いて冷却器３８へと送られ、水分が回収される。回収水は、水電解装置１の貯水タンク２１へと送られ、電解用水として利用される。
【００１５】
上記のように、本実施例の水電解装置１とバイオマスガス化装置３とからなる水素製造装置では、（１）電解用水第一熱交換器２３と電解用水第二熱交換器２４を組込むことによってバイオマスガス化装置３の排熱が水電解装置１の電解用水の加熱に有効に利用されることとなり、かつ、（２）冷却器３８を組込んで乾燥炉３２で得られた水蒸気より水分を回収し、貯水タンク２１へ送ることとしたのでバイオマスガス化装置３の生成水が有効に利用されることとなった。また、（３）電解槽１１を耐圧構造とし、加圧した電解用水を用いて水電解を行うこととしたので、水電解で得られた酸素が容易にバイオマスガス化装置３のガス化用の酸化剤として使用できることとなり、シンプルな構成の水素製造装置が得られることとなった。なお、本発明はこの実施例の構成に限定されるものではなく、上記の（１）、（２）、（３）の少なくともいずれか一つを備えるものであればよく、また、上記（１）においては、電解用水第一熱交換器２３と電解用水第二熱交換器２４のうちのいずれかを備えるものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
以上述べたように、本発明の構成の水素製造装置では、排熱や生成水が回収されて有効に利用される効率的なシステムが構成され、また、酸素の加圧手段を必要としないシンプルな構成が得られるので、水素を使用する各種用途に使用可能であり、特に、自然エネルギーの豊富な地域において、余剰電力を水素燃料に置換して貯蔵あるいは輸送して用いる場合の水素製造装置として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の水素製造装置の代表的な実施例の構成を示すフロー図
【符号の説明】
【００１８】
１    水電解装置
３    バイオマスガス化装置
１１    電解槽
１１ａ    陰極
１１ｂ    陽極
１２    水素貯蔵タンク
１３    酸素貯蔵タンク
１６    圧力調整弁
１７，１８    流量制御弁
２１    貯水タンク
２２    コンプレッサー
２３    電解用水第一熱交換器
２４    電解用水第二熱交換器
２５    直流電源装置
３１    ガス化炉
３２    乾燥炉
３３    改質炉
３５    貯水タンク
３８    冷却器
【図１】
2005255840.tif 000003