(57)【要約】【課題】原料に水蒸気賦活を施すシステムにおいて、よりエネルギー効率を高める。【解決手段】賦活炉システムは、供給された原料と空気と水蒸気とを加熱して、原料に賦活処理を施して製品を排出する賦活炉ＡＫと、賦活炉ＡＫから排出される賦活排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池ＦＣとを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原料と空気と水蒸気とを加熱して、前記原料に賦活処理を施して製品を排出する賦活炉と、前記賦活炉から排出される賦活排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有する賦活炉システム。
【請求項２】
前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスと前記賦活排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−賦活排ガス熱交換器を有する請求項１に記載の賦活炉システム。
【請求項３】
前記賦活炉の内部に配置され、供給された酸素含有ガスを加熱して前記燃料電池に供給する酸素含有ガス加熱供給部を有する請求項１または２に記載の賦活炉システム。
【請求項４】
前記燃料電池から排出されるカソード排ガスを前記賦活炉に供給するカソード排ガス供給部を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の賦活炉システム。
【請求項５】
前記燃料電池から排出されて前記賦活炉に供給されるカソード排ガスと、前記燃料電池から排出されるアノード排ガスとを熱交換させて前記カソード排ガスを加熱するカソード排ガス−アノード排ガス熱交換器を有する請求項４に記載の賦活炉システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給された原料と空気と水蒸気とを加熱して、原料に賦活処理を施す賦活炉システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
活性炭の製造は、おがくずややし殻等の炭素質の原料に対して炭化と賦活の２つの工程を施すことで行われる。炭化は、２００℃〜６００℃の温度にて無酸素状態で乾留する工程である。賦活は、水蒸気や二酸化炭素等を用いて６００℃〜１２００℃の高温で一定時間乾留する工程である。賦活により表面に多数の細孔が形成され、表面積が大きくなり、非常に大きな吸着性能を示すようになる。
【０００３】
水蒸気賦活には、例えば特許文献１のようなロータリーキルン（賦活装置）が用いられる。特許文献１の装置では、外側に加熱具を備えた円筒体の内部に、原料（酢酸セルロースの粒子状炭化物）と水蒸気が供給され、水蒸気賦活により活性炭が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−８４２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水蒸気賦活を行うには装置内を６００℃〜１２００℃の高温に保つ必要があるため、多大なエネルギーが消費される。よって水蒸気賦活を行うシステムでは、更なるエネルギー効率の向上が求められている。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、原料に水蒸気賦活を施すシステムにおいて、よりエネルギー効率を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る賦活炉システムの特徴構成は、供給された原料と空気と水蒸気とを加熱して、前記原料に賦活処理を施して製品を排出する賦活炉と、前記賦活炉から排出される賦活排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有する点にある。
【０００８】
発明者らは鋭意検討の結果、水蒸気賦活の際に排出される賦活排ガスに、燃料電池の発電反応に用いることができる水素、炭化水素、一酸化炭素等の燃料成分が含まれていることを見いだした。そしてこれを燃料電池での発電に用いることで、賦活炉システムのエネルギー効率を高めることに思い至った。
【０００９】
上記の特徴構成によれば、供給された原料と空気と水蒸気とを加熱して、原料に賦活処理を施して製品を排出する賦活炉と、賦活炉から排出される賦活排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有するので、従来は有効に活用されていなかった賦活排ガスから電力を生み出すことができ、賦活炉システムのエネルギー効率を高めることができる。また、固体酸化物形の燃料電池は高効率である一方、７００℃程度の高い作動温度まで燃料電池を加熱する必要がある。賦活排ガスは高温のため、賦活排ガスを固体酸化物形の燃料電池での発電に用いることで、更にシステム全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００１０】
本発明にかかる賦活炉システムの別の特徴構成は、前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスと前記賦活排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−賦活排ガス熱交換器を有する点にある。
【００１１】
上記の特徴構成によれば、燃料電池へ供給される酸素含有ガスと賦活排ガスとを熱交換させて酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−賦活排ガス熱交換器を有するので、賦活排ガスの有する熱を有効利用でき、賦活炉システムのエネルギー効率を更に高めることができる。
【００１２】
本発明にかかる賦活炉システムの別の特徴構成は、前記賦活炉の内部に配置され、供給された酸素含有ガスを加熱して前記燃料電池に供給する酸素含有ガス加熱供給部を有する点にある。
【００１３】
上記の特徴構成によれば、賦活炉の内部に配置され、供給された酸素含有ガスを加熱して燃料電池に供給する酸素含有ガス加熱供給部を有するので、高温となる賦活炉が有する熱を有効利用でき、賦活炉システムのエネルギー効率を更に高めることができる。
【００１４】
本発明にかかる賦活炉システムの別の特徴構成は、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスを前記賦活炉に供給するカソード排ガス供給部を有する点にある。
【００１５】
固体酸化物形の燃料電池は作動温度が高いため、燃料電池から排出されるカソード排ガスも高温となる。上記の特徴構成によれば、燃料電池から排出されるカソード排ガスを賦活炉に供給するカソード排ガス供給部を有するので、カソード排ガスが有する熱を賦活炉で有効利用することができ、賦活炉システムのエネルギー効率を更に高めることができる。
【００１６】
本発明にかかる賦活炉システムの別の特徴構成は、前記燃料電池から排出されて前記賦活炉に供給されるカソード排ガスと、前記燃料電池から排出されるアノード排ガスとを熱交換させて前記カソード排ガスを加熱するカソード排ガス−アノード排ガス熱交換器を有する点にある。
【００１７】
上記の特徴構成によれば、燃料電池から排出されて賦活炉に供給されるカソード排ガスと、燃料電池から排出されるアノード排ガスとを熱交換させてカソード排ガスを加熱するカソード排ガス−アノード排ガス熱交換器を有するので、アノード排ガスの有する熱を賦活炉へ供給されるカソード排ガスへ回収することができ、賦活炉システムのエネルギー効率を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る賦活炉システムの説明図
【図２】第２実施形態に係る賦活炉システムの説明図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態に係る賦活炉システムについて図１を参照しながら説明する。賦活炉システムは、供給された原料と空気と水蒸気とを加熱して、原料に賦活処理を施して製品を排出する賦活炉ＡＫと、賦活炉ＡＫから排出される賦活排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池ＦＣとを有する。
【００２０】
〔賦活炉〕
賦活炉ＡＫは、供給された原料に水蒸気賦活を施して、活性炭となった製品を排出する炉である。原料としては、木材（おがくず）、瀝青炭等の石炭を粒状に加工したもの、やしの殻などが用いられる。賦活炉ＡＫには、ブロア９１および流通路Ｌ９１からの空気と、水蒸気とが供給される。そしてバーナー装置１４で燃料ガスが燃焼され、空気と水蒸気とが９００℃〜１０００℃に加熱される。投入された原料は、高温となった水蒸気と反応して賦活され、表面に多数の微細孔が生じて活性炭となり、賦活炉ＡＫから排出される。賦活路の形式としては、例えばロータリーキルンが用いられる。
【００２１】
賦活の際に生じる賦活排ガスには、燃料電池の発電反応に用いることができる燃料成分が含まれている。発生する賦活ガスの組成の一例は、水素１５．０％、メタン０．３％、一酸化炭素８．９％、二酸化炭素１０．１％、窒素５０．９％、酸素０．８％、水１４．０％である。賦活炉ＡＫで生じた高温の賦活排ガスは、流通路Ｌ９２を通ってサイクロンフィルタＣＦに送られる。
【００２２】
サイクロンフィルタＣＦは、粉塵を含むガスを高速で旋回させ、遠心力によりガスから粉塵を分離して取り除く装置である。賦活炉ＡＫからサイクロンフィルタＣＦに供給された賦活排ガスは、粉塵が取り除かれ、燃料電池ＦＣへと供給される。なお賦活排ガスの温度は、賦活炉ＡＫ内部では９００℃〜１０００℃であったが、サイクロンフィルタＣＦの出口では７００℃〜８００℃に降下し、燃料電池ＦＣの作動温度に近い温度となっている。
【００２３】
〔燃料電池〕
燃料電池ＦＣは、賦活炉ＡＫから排出された賦活排ガスを用いて発電する、固体酸化物形の燃料電池である。本実施形態では賦活排ガスは、流通路Ｌ９２を通じて賦活炉ＡＫから燃料電池ＦＣに供給される。
【００２４】
本実施形態で用いられる燃料電池ＦＣは固体酸化物形であって、酸化物イオン伝導性をもつ固体酸化物の緻密体からなる電解質膜の一方面側に、酸化物イオンおよび電子伝導性の多孔体からなる空気極を接合し、他方面側に電子伝導性の多孔体からなる燃料極を接合してなる単セルを複数積層してなる。そして、空気極に空気（酸素含有ガス）を供給し、燃料極に水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料を含んだガスを供給し、７００℃程度の作動温度で動作させる。すると、空気極において酸素分子Ｏ2が電子ｅ-と反応して酸素分子イオンＯ2-が生成され、その酸素分子イオンＯ2-が電解質膜を通って燃料極に移動し、燃料極において供給された燃料の分子が酸素分子イオンＯ2-と反応することで、燃料極と空気極との間に起電力Ｅが発生し、その起電力Ｅを外部に取り出し利用することができる。
【００２５】
燃料電池ＦＣの燃料極に供給される賦活排ガスは、賦活炉ＡＫから流通路Ｌ９２を通って熱交換器２６に送られ、熱交換器２６にてブロア２４からの空気に熱を与える。その後、賦活排ガスは燃料電池ＦＣの燃料極へと供給され、含有する燃料成分（水素、メタン等）が発電反応に用いられるとともに、燃料電池ＦＣを加熱し、流通路Ｌ１４よりアノード排ガスとして排出される。
【００２６】
燃料電池ＦＣの空気極には、ブロア２４からの空気が流通路Ｌ１５を通って供給される。流通路Ｌ１５には熱交換器２５と熱交換器２６とが設けられている。ブロア２４からの空気は、熱交換器２５にて燃料電池ＦＣから排出されたカソード排ガスと熱交換して加熱され、熱交換器２６にて、賦活炉ＡＫからの賦活排ガスと熱交換して加熱される。そして燃料電池ＦＣにて発電反応に用いられた後は、熱交換器２５でブロア２４からの空気に熱を与えてから、流通路Ｌ１６を通ってカソード排ガスとして排出される。
【００２７】
すなわち第１実施形態に係る賦活炉システムは、供給された原料と空気と水蒸気とを加熱して、原料に賦活処理を施して製品を排出する賦活炉ＡＫと、賦活炉ＡＫから排出される賦活排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池ＦＣとを有する。また賦活炉システムは、燃料電池ＦＣへ供給される空気（酸素含有ガス）と賦活排ガスとを熱交換させて空気を加熱する熱交換器２６（酸素含有ガス−賦活排ガス熱交換器）を有する。
【００２８】
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、カソード排ガスはブロア２４からの空気に熱を与えた後は廃棄されていた。第２実施形態では、カソード排ガスは賦活炉ＡＫに供給される空気と混合されて、カソード排ガスおよびカソード排ガスが有する熱が有効利用される。以下、図２を参照して第２実施形態に係る賦活炉システムについて説明するが、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００２９】
賦活炉ＡＫの内部には、供給された空気と賦活炉ＡＫ内の雰囲気ガスとを熱交換させて空気を加熱する、熱交換器９３が配置されている。そしてブロア２４からの空気が熱交換器９３にて加熱されて、流通路Ｌ９３を通って燃料電池ＦＣの空気極へと供給される。そして空気に含有される酸素が燃料電池ＦＣでの発電反応に用いられる。
【００３０】
燃料電池ＦＣの空気極から排出されたカソード排ガスは、熱交換器９２でアノード排ガスと熱交換して加熱される。すなわち、アノード排ガスの有する熱がカソード排ガスへと回収される。熱交換器９２にて加熱されたカソード排ガスは、流通路Ｌ９４を通り、流通路Ｌ９１を流れるブロア９１からの空気と混合され、空気を加熱し、賦活炉ＡＫへと供給される。
【００３１】
すなわち第２実施形態に係る賦活炉システムは、賦活炉ＡＫの内部に配置され、供給された空気（酸素含有ガス）を加熱して燃料電池ＦＣに供給する熱交換器９３（酸素含有ガス加熱供給部）を有し、燃料電池ＦＣから排出されるカソード排ガスを賦活炉ＡＫに供給する流通路Ｌ９４（カソード排ガス供給部）を有する。また賦活炉システムは、燃料電池ＦＣから排出されて賦活炉ＡＫに供給されるカソード排ガスと、燃料電池ＦＣから排出されるアノード排ガスとを熱交換させてカソード排ガスを加熱する熱交換器９２（カソード排ガス−アノード排ガス熱交換器）を有する。
【００３２】
＜別実施形態＞
上述の実施形態では、アノード排ガスまたはカソード排ガスから排熱を回収するよう構成したが、排熱回収を行わない構成も可能である。
【００３３】
なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
２６      ：熱交換器（酸素含有ガス−賦活排ガス熱交換器）
９２      ：熱交換器（カソード排ガス−アノード排ガス熱交換器）
９３      ：熱交換器
ＡＫ      ：賦活炉
ＦＣ      ：燃料電池
Ｌ９４    ：流通路（カソード排ガス供給部）
【図１】
2016190777.tif 000003
【図２】
2016190777.tif 000004