JP2009158166A - Dehydration method and dehydration system for alcohol-containing aqueous solution - Google Patents

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聡 柳瀬
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勝則 酒井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dehydration method and a dehydration system for an alcohol-containing aqueous solution, which improve throughput per unit time and improve energy efficiency without discharging carbon dioxide. <P>SOLUTION: The dehydration method of an alcohol-containing aqueous solution includes: a first step of evaporating an alcohol-containing aqueous solution and obtaining its steam, by heat generated at the time of operating a fuel cell; a second step of obtaining a process liquid raised in an alcohol concentration by separating water component and a process liquid lowered in an alcohol concentration by separating alcohol component, by supplying the steam to a film capable of separating the steam to an alcohol component and a water component; and a third step of reusing hydrogen and oxygen formed by base electrolysis which is carried out to the process liquid lowered in an alcohol concentration by electricity generated at the time of operating the fuel cell, as fuel gas and oxidation gas of the fuel cell, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、アルコール含有水溶液の脱水方法および脱水システムに関する。   The present invention relates to a dehydration method and a dehydration system for an alcohol-containing aqueous solution.

とうもろこしやサトウキビなど、いわゆる「バイオマス原料」から製造されるエタノールは「バイオエタノール」と称される。このバイオエタノールは、カーボンニュートラル、すなわち、燃焼時に発生する二酸化炭素の量が植物原料であるが故にゼロであるとされる、という観点から注目を浴びている。バイオエタノールは、従来の燃料に一定割合で混合して用いられることが想定され、温暖化の原因のひとつとして考えられている二酸化炭素の排出量削減に貢献するであろうと期待されている。バイオエタノールの製法はすでに確立されており、そのプロセスは、主に原料の発酵、蒸留、脱水の３工程から成る。このうち蒸留工程と脱水工程では多量のエネルギーを消費するため、これらの工程における消費エネルギーをいかに低減させるかが技術的な課題となっている。   Ethanol produced from so-called “biomass raw materials” such as corn and sugarcane is called “bioethanol”. This bioethanol is attracting attention from the viewpoint of being carbon neutral, that is, the amount of carbon dioxide generated during combustion is zero because it is a plant material. Bioethanol is expected to contribute to the reduction of carbon dioxide emissions, which is considered to be one of the causes of global warming, because it is assumed that bioethanol is mixed with conventional fuel at a certain ratio. A method for producing bioethanol has already been established, and the process mainly comprises three steps of fermentation, distillation and dehydration of raw materials. Among these, since a large amount of energy is consumed in the distillation process and the dehydration process, how to reduce the energy consumption in these processes is a technical problem.

この課題を解決するためのひとつの方法として、水分またはアルコール成分を選択的に透過させる分離膜を利用した浸透気化膜法によって高濃度のアルコール溶液を得る方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。   As one method for solving this problem, there is known a method for obtaining a high-concentration alcohol solution by a pervaporation membrane method using a separation membrane that selectively permeates moisture or an alcohol component (for example, Patent Documents). 1).

また、同様に、水分またはアルコール成分を選択的に透過させる分離膜を利用した蒸気透過法をバイオエタノール製造の脱水工程に応用する技術が開示されている（例えば、非特許文献１を参照）。   Similarly, a technique is disclosed in which a vapor permeation method using a separation membrane that selectively permeates moisture or an alcohol component is applied to a dehydration process of bioethanol production (for example, see Non-Patent Document 1).

特開平７−１８４６２８号公報JP-A-7-184628 青木、池田ら，製品＆技術：膜，３２（４），ｐ．２３４−２３７（２００７）Aoki, Ikeda et al., Products & Technologies: Membrane, 32 (4), p. 234-237 (2007)

しかしながら、特許文献１に記載された浸透気化膜法による分離技術は、一般に、単位時間当たりの処理能力が小さい、という問題がある。   However, the separation technique by the pervaporation membrane method described in Patent Document 1 generally has a problem that the processing capacity per unit time is small.

また、非特許文献１に記載された蒸気透過法を利用した分離技術においては、通常、蒸気を発生させるのに、燃焼により発生する熱や電気的に発生する熱を用いるが、このエネルギーをいかに小さくするかという課題を有している。さらに、燃焼により発生する熱を用いる場合は、その際に環境にとって削減されるのが好ましいとされている二酸化炭素が発生するという問題もある。   Moreover, in the separation technique using the vapor permeation method described in Non-Patent Document 1, usually, heat generated by combustion or heat generated electrically is used to generate steam. There is a problem of how to make it smaller. Further, when heat generated by combustion is used, there is a problem that carbon dioxide is generated which is preferably reduced for the environment.

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、アルコール含有水溶液の脱水方法および脱水システムにおいて、単位時間当たりの処理能力を向上させるとともに、二酸化炭素を排出せずに、エネルギー効率を向上させることを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and in the dehydration method and dehydration system of an alcohol-containing aqueous solution, the processing performance per unit time is improved and the energy efficiency is eliminated without discharging carbon dioxide. It aims at improving.

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、燃料電池を作動させた際に発生する熱を利用してアルコール含有水溶液を蒸気とし、この蒸気を、水選択透過性またはアルコール選択透過性の膜などのアルコール成分と水成分とに分離可能な膜に供給して脱水することにより、単位時間当たりの処理能力を向上させるとともに、二酸化炭素を排出せずに、エネルギー効率を向上させることができることを見出した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have made an alcohol-containing aqueous solution a vapor by using heat generated when the fuel cell is operated, and this vapor is converted to water selective permeability or alcohol selection. By supplying to a membrane that can be separated into an alcohol component such as a permeable membrane and a water component and dehydrating it, the processing capacity per unit time is improved and energy efficiency is improved without discharging carbon dioxide. I found that I can do it.

また、本発明者らは、脱水の際に排出される排水(低濃度アルコール水溶液)を、運転している燃料電池が作る電気で電気分解して水素と酸素を生成し、これらを運転中の燃料電池の燃料ガスや酸化剤ガスとして利用するか、あるいは、アルコール成分と水成分とに分離可能な膜に供給する蒸気の温度を適切に制御することで、アルコール水溶液の脱水工程のエネルギー効率を顕著に向上させることができることも見出した。   In addition, the present inventors electrolyze the waste water (low-concentration alcohol aqueous solution) discharged during dehydration with electricity produced by the operating fuel cell to generate hydrogen and oxygen, which are in operation It can be used as fuel gas and oxidant gas for fuel cells, or by appropriately controlling the temperature of the vapor supplied to the membrane that can be separated into the alcohol component and water component, thereby improving the energy efficiency of the dehydration process of the aqueous alcohol solution. It has also been found that it can be remarkably improved.

本発明者らは、以上のような知見に基づいて、本発明を完成するに至った。   Based on the above findings, the present inventors have completed the present invention.

すなわち、本発明のある観点によれば、アルコール含有水溶液を、燃料電池を作動させた際に発生する熱により気化させて蒸気とする第１工程と、前記蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液とを得る第２工程と、前記アルコール濃度が低下した処理液を、前記燃料電池を作動させた際に発生する電気を用いて電気分解し、当該電気分解により生成した水素および酸素を、それぞれ、前記燃料電池の燃料ガスおよび酸化剤ガスとして再利用する第３工程と、を含むアルコール含有水溶液の脱水方法が提供される。   That is, according to an aspect of the present invention, a first step in which an alcohol-containing aqueous solution is vaporized by heat generated when a fuel cell is operated to form a vapor, and the vapor is separated into an alcohol component and a water component. A second step of supplying a treatment liquid in which the water concentration is separated and the alcohol concentration is increased and a treatment liquid in which the alcohol component is separated and the alcohol concentration is decreased; and the treatment in which the alcohol concentration is decreased The liquid is electrolyzed using electricity generated when the fuel cell is operated, and hydrogen and oxygen generated by the electrolysis are reused as fuel gas and oxidant gas of the fuel cell, respectively. And a method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution comprising three steps.

前記第２工程で、前記蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整することが好ましい。   In the second step, it is preferable to adjust the temperature of the steam to be 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.

また、本発明の他の観点によれば、アルコール含有水溶液を、燃料電池を作動させた際に発生する熱により気化させて蒸気とする第１工程と、前記蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液とを得る第２工程と、を含み、前記第１工程で、前記蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整するアルコール含有水溶液の脱水方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, the alcohol-containing aqueous solution is vaporized by heat generated when the fuel cell is operated to be vaporized, and the vapor is converted into an alcohol component and a water component. A first step of supplying the separation liquid to a separation membrane and obtaining a treatment liquid in which the alcohol concentration has been increased by separating the water component and a treatment liquid in which the alcohol component has been separated and having a reduced alcohol concentration. In the process, a method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution is provided in which the temperature of the steam is adjusted to be 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.

前記アルコール含有水溶液の脱水方法において、前記燃料電池の作動温度を１００℃以上２５０℃以下とすることが好ましい。   In the dehydration method of the alcohol-containing aqueous solution, it is preferable that the operating temperature of the fuel cell is 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower.

前記アルコール含有水溶液の脱水方法において、前記燃料電池は、酸をマトリックスに含浸させたものを電解質として用いた酸ドープ型燃料電池であることが好ましい。   In the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution, the fuel cell is preferably an acid-doped fuel cell using an electrolyte impregnated with an acid as a matrix.

前記アルコール含有水溶液の脱水方法において、前記第１工程で、前記アルコール含有水溶液を発熱している前記燃料電池に間接的に接触させることが好ましい。   In the method for dehydrating the alcohol-containing aqueous solution, it is preferable that the alcohol-containing aqueous solution is indirectly contacted with the heat-generating fuel cell in the first step.

前記アルコール含有水溶液の脱水方法において、前記アルコール含有水溶液として、バイオマスを原料として得られるものを使用してもよい。   In the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution, the alcohol-containing aqueous solution obtained from biomass as a raw material may be used.

また、本発明のさらに他の観点によれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて作動し、熱および電気を発生する燃料電池と、発熱している前記燃料電池に、アルコール含有水溶液を直接的または間接的に接触させ、前記アルコール含有水溶液を気化させる気化手段と、前記気化手段により気化された前記アルコール含有水溶液の蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜を有し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液と、に分離する膜分離装置と、前記アルコール濃度が低下した処理液を、前記燃料電池を作動させた際に発生する電気を用いて電気分解する電解槽と、を備え、前記電気分解により生成した水素および酸素を、それぞれ、前記燃料電池の燃料ガスおよび酸化剤ガスとして再利用するアルコール含有水溶液の脱水システムが提供される。   According to still another aspect of the present invention, an alcohol-containing aqueous solution is directly applied to a fuel cell that operates using a fuel gas and an oxidant gas to generate heat and electricity, and the fuel cell that generates heat. Or a vaporizing means for indirectly vaporizing the alcohol-containing aqueous solution, and a membrane capable of separating the alcohol component and the water component from the vapor of the alcohol-containing aqueous solution vaporized by the vaporizing means. The fuel cell is operated by separating a separation liquid into a treatment liquid having an increased alcohol concentration and a separation liquid having a reduced alcohol concentration by separating an alcohol component, and a treatment liquid having the reduced alcohol concentration. An electrolyzer that electrolyzes using electricity generated when the hydrogen is generated, and hydrogen and oxygen generated by the electrolysis are respectively supplied to the fuel cell. Material gas and dehydration system of an alcohol-containing aqueous solution to be reused as an oxidizing agent gas is provided.

前記アルコール含有水溶液の脱水システムは、前記蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整する蒸気温度調節手段をさらに備えていてもよい。   The alcohol-containing aqueous solution dehydration system may further include a vapor temperature adjusting unit that adjusts the vapor temperature to be 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.

また、本発明のさらに他の観点によれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて作動し、熱および電気を発生する燃料電池と、発熱している前記燃料電池に、アルコール含有水溶液を直接的または間接的に接触させ、前記アルコール含有水溶液を気化させる気化手段と、前記気化手段により気化された前記アルコール含有水溶液の蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜を有し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液と、に分離する膜分離装置と、前記蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整する蒸気温度調節手段と、を備えるアルコール含有水溶液の脱水システムが提供される。   According to still another aspect of the present invention, an alcohol-containing aqueous solution is directly applied to a fuel cell that operates using a fuel gas and an oxidant gas to generate heat and electricity, and the fuel cell that generates heat. Or a vaporizing means for indirectly vaporizing the alcohol-containing aqueous solution, and a membrane capable of separating the alcohol component and the water component from the vapor of the alcohol-containing aqueous solution vaporized by the vaporizing means. A membrane separation device that separates into a treatment liquid that has been separated to increase the alcohol concentration and a treatment liquid that has been separated from the alcohol component and has a reduced alcohol concentration, and the temperature of the steam is 100 ° C. to 200 ° C. An alcohol-containing aqueous solution dehydrating system comprising: a steam temperature adjusting means for adjusting.

前記アルコール含有水溶液の脱水システムにおいて、前記燃料電池の作動温度は、１００℃以上２５０℃以下であることが好ましい。   In the alcohol-containing aqueous solution dehydration system, the operating temperature of the fuel cell is preferably 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower.

前記アルコール含有水溶液の脱水システムにおいて、前記燃料電池は、酸をマトリックスに含浸させたものを電解質として用いた酸ドープ型燃料電池であることが好ましい。   In the alcohol-containing aqueous solution dehydration system, the fuel cell is preferably an acid-doped fuel cell using an electrolyte impregnated with an acid as an electrolyte.

前記アルコール含有水溶液の脱水システムは、前記燃料電池の周囲の一部または全部を覆うフッ素樹脂で形成されたカバーをさらに備え、前記気化手段は、前記アルコール含有水溶液を前記カバーに接触させるようにしてもよい。   The alcohol-containing aqueous solution dehydration system further includes a cover formed of a fluororesin that covers a part or all of the periphery of the fuel cell, and the vaporizing means contacts the cover with the alcohol-containing aqueous solution. Also good.

前記アルコール含有水溶液の脱水システムにおいて、前記アルコール含有水溶液として、バイオマスを原料として得られるものを使用してもよい。   In the alcohol-containing aqueous solution dehydration system, the alcohol-containing aqueous solution obtained from biomass as a raw material may be used.

本発明によれば、アルコール含有水溶液の脱水方法および脱水システムにおいて、従来の蒸気発生方法のように大きなエネルギーを用いることがなく、別途燃料を用いて熱を発生させる必要もないため、単位時間当たりの処理能力を向上させるとともに、二酸化炭素を排出せずに、エネルギー効率を向上させることが可能となる。   According to the present invention, in the dehydration method and the dehydration system of the alcohol-containing aqueous solution, it is not necessary to use large energy as in the conventional steam generation method, and it is not necessary to generate heat using a separate fuel. As a result, the energy efficiency can be improved without discharging carbon dioxide.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法および脱水システムについて詳細に説明する。 [First Embodiment]
Hereinafter, a method and system for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to a first embodiment of the present invention will be described in detail.

（アルコール含有水溶液の脱水方法）
本発明の第１の実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法は、水選択透過性またはアルコール選択透過性の膜などのアルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給するアルコール含有水溶液の蒸気の生成に燃料電池の排熱を利用し、かつ燃料電池が作り出す電気を用いて、膜脱水の際に発生する排水を電気分解して燃料電池を作動させるための燃料ガスと酸化剤ガスを作り出す、というものである。 (Dehydration method of alcohol-containing aqueous solution)
The method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the first embodiment of the present invention includes a vapor of an alcohol-containing aqueous solution supplied to a membrane capable of separating an alcohol component and a water component such as a water selective permeable or alcohol selective permeable membrane. The fuel cell's exhaust heat is used to generate the fuel, and the electricity generated by the fuel cell is used to electrolyze the wastewater generated during membrane dehydration to produce fuel gas and oxidant gas for operating the fuel cell. That's it.

従来は、電気や燃焼によって熱を発生させ、その熱でアルコール含有水溶液を気化させて蒸気を発生させていた。そのため、従来の技術では、熱を発生させるためのエネルギーを以下に小さくするかという課題を有しており、さらに、燃焼により熱を発生させる場合には、ＣＯ２を発生するという問題もあった。加えて、従来の浸透気化膜法、蒸気透過法でアルコール含有水溶液を脱水する場合には、その副生成物として、少量のアルコールを含んだ多量の排水が発生するが、これをいかに処理するかという課題もあった。従って、これらの問題を総合的に解決する技術の開発が望まれていた。 Conventionally, heat is generated by electricity or combustion, and the alcohol-containing aqueous solution is vaporized by the heat to generate steam. For this reason, the conventional technique has a problem of whether to reduce the energy for generating heat to the following level. Further, when generating heat by combustion, there is also a problem of generating CO 2 . . In addition, when an alcohol-containing aqueous solution is dehydrated by the conventional pervaporation membrane method or vapor permeation method, a large amount of wastewater containing a small amount of alcohol is generated as a by-product. There was also a problem. Therefore, development of a technique that comprehensively solves these problems has been desired.

これに対して、本実施形態では、蒸気を発生させるために燃料電池の排熱を利用するためにＣＯ２の発生がなく、さらに、燃料電池の作動による電気エネルギーを用いてその燃料電池体を作動させるための燃料ガスおよび酸化剤ガスを製造することができ、しかも、そのガスは脱水の工程で発生する排水を原料として生成されるため、排水量の低減化にも貢献することができる。このように、本実施形態によれば、従来技術が有していた問題点を総合的に解決することができる。 On the other hand, in this embodiment, there is no generation of CO 2 because the exhaust heat of the fuel cell is used to generate steam, and further, the fuel cell body is formed using electric energy generated by the operation of the fuel cell. Fuel gas and oxidant gas for operation can be produced, and the gas is generated using waste water generated in the dehydration process as a raw material, which can contribute to a reduction in the amount of waste water. As described above, according to the present embodiment, the problems of the prior art can be comprehensively solved.

具体的には、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法は、下記（１）〜（３）の工程を含む。
（１） アルコール含有水溶液を、燃料電池を作動させた際に発生する熱（排熱）により気化させて蒸気とする工程
（２） 工程（１）で気化させた蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液（以下、「高濃度アルコール水溶液」という。）と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液（以下、「低濃度アルコール水溶液」という。）と、を得る（脱水）工程
（３） 工程（２）で得られた低濃度アルコール水溶液（排水）を、燃料電池を作動させた際に発生する電気を用いて電気分解し、当該電気分解により生成した水素を運転中の燃料電池の燃料ガスとして、当該電気分解により生成した酸素を運転中の燃料電池の酸化剤ガスとして再利用する工程 Specifically, the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment includes the following steps (1) to (3).
(1) Step of vaporizing alcohol-containing aqueous solution by heat (exhaust heat) generated when the fuel cell is operated to form vapor (2) The vapor vaporized in step (1) is converted into an alcohol component and a water component. Is supplied to a separable membrane, and the treatment liquid in which the alcohol concentration is increased by separating the water component (hereinafter referred to as “high-concentration alcohol aqueous solution”) and the treatment liquid in which the alcohol concentration is separated and the alcohol concentration is reduced ( (Hereinafter referred to as “low-concentration alcohol aqueous solution”)) (dehydration) step (3) Electricity generated when the fuel cell is operated from the low-concentration alcohol aqueous solution (drainage) obtained in step (2) And reusing hydrogen generated by the electrolysis as a fuel gas for an operating fuel cell and oxygen generated by the electrolysis as an oxidant gas for an operating fuel cell

以下、上記（１）〜（３）の工程について詳細に説明する。   Hereinafter, the steps (1) to (3) will be described in detail.

＜工程（１）について＞
本実施形態において、アルコール含有水溶液とは、アルコール類、特にエタノールを含む水溶液を指す。ただし、アルコール含有水溶液には、アルコール成分以外の成分が含まれていてもよい。 <About step (1)>
In the present embodiment, the alcohol-containing aqueous solution refers to an aqueous solution containing alcohols, particularly ethanol. However, the alcohol-containing aqueous solution may contain components other than the alcohol component.

また、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法は、バイオマスを原料として得られるアルコール含有水溶液に対して特に好適である。ここで、バイオマスとは、主に植物に由来する原料であり、トウモロコシ、麦、米、サツマイモ、ジャガイモ、テンサイ、サトウキビ等を指す。   Further, the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment is particularly suitable for an alcohol-containing aqueous solution obtained using biomass as a raw material. Here, the biomass is a raw material mainly derived from plants, and refers to corn, wheat, rice, sweet potato, potato, sugar beet, sugar cane and the like.

本実施形態において、燃料電池とは、２種の電極Ａ、Ｂと電解質との積層体からなる膜電極接合体を基本構成要素として構成される電池を指す。その電池反応の本質は、燃料ガスが一方の電極Ａで反応してイオンと電子とに分離され、発生した電子は外部回路を通じて電極Ｂに達し、発生したイオンは電解質を通過して電極Ｂに達し、この電子とイオンが電極Ｂで酸化剤ガスと反応する、というものである。燃料電池は、この電池反応の結果として電気エネルギーを得るデバイスである。   In the present embodiment, the fuel cell refers to a battery configured with a membrane electrode assembly composed of a laminate of two types of electrodes A and B and an electrolyte as a basic component. The essence of the cell reaction is that the fuel gas reacts at one electrode A and is separated into ions and electrons, the generated electrons reach the electrode B through an external circuit, and the generated ions pass through the electrolyte to the electrode B. The electrons and ions react with the oxidant gas at the electrode B. A fuel cell is a device that obtains electrical energy as a result of this cell reaction.

電極で反応する燃料ガスとしては水素が好適である。また、水素以外の燃料としては、メタノール、エタノール等のアルコールや、ヒドラジンや、ジメチルエーテルなどを用いることもできる。また、水素を燃料ガスとして用いる場合は、水素ガスの中に水蒸気等の他の気体成分が含まれていてもよい。   Hydrogen is preferred as the fuel gas that reacts with the electrodes. Moreover, as fuel other than hydrogen, alcohols such as methanol and ethanol, hydrazine, dimethyl ether, and the like can be used. Moreover, when using hydrogen as fuel gas, other gas components, such as water vapor | steam, may be contained in hydrogen gas.

酸化剤ガスとしては酸素を含んだ気体を利用することが好ましく、最も理想的なものは酸素ガスである。また、酸素を２０質量％ほど含む空気も利用することができる。また、本実施形態においては、空気を酸化剤ガスとして用いる場合は、本実施形態によって得られる酸素をこれに追添して空気中の酸素濃度を高めることができる。この方法は、作動させる燃料電池の発電効率を高めることができるので好ましい。   As the oxidant gas, it is preferable to use a gas containing oxygen, and the most ideal gas is oxygen gas. Air containing about 20% by mass of oxygen can also be used. Further, in the present embodiment, when air is used as the oxidant gas, the oxygen concentration in the air can be increased by adding oxygen obtained by the present embodiment thereto. This method is preferable because the power generation efficiency of the fuel cell to be operated can be increased.

本実施形態において、燃料電池の種類としては、高分子電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、溶融塩型燃料電池などを選択することができる。このうち、燃料電池を作動させた際に発生する熱が大きいことが特徴である、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、溶融塩型燃料電池は、本実施形態では特に好適である。ここで、リン酸型燃料電池とは、リン酸を高分子膜や無機多孔体のマトリックスに含浸させたものを電解質に用いた燃料電池を指す。また、アルカリ型燃料電池とは、水酸化カリウム水溶液のようなアルカリ水溶液を高分子膜や無機多孔体のマトリックスに含浸させたものを電解質に用いた燃料電池を指す。また、溶融塩型燃料電池とは、炭酸リチウムや炭酸ナトリウムなどの混合アルカリ溶融塩を電解質に用いた燃料電池を指す。   In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, a molten salt fuel cell, or the like can be selected as the type of fuel cell. Among these, a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, and a molten salt fuel cell, which are characterized by large heat generated when the fuel cell is operated, are particularly suitable in the present embodiment. Here, the phosphoric acid fuel cell refers to a fuel cell using phosphoric acid impregnated in a polymer membrane or an inorganic porous matrix as an electrolyte. The alkaline fuel cell refers to a fuel cell in which an alkaline aqueous solution such as a potassium hydroxide aqueous solution is impregnated into a polymer membrane or a matrix of an inorganic porous body as an electrolyte. The molten salt type fuel cell refers to a fuel cell using a mixed alkali molten salt such as lithium carbonate or sodium carbonate as an electrolyte.

本実施形態において、燃料電池を作動させた際に発生する熱（排熱）とは、燃料電池の電極で反応が起きる際に発生する熱を指す。また、この熱を利用してアルコール含有水溶液を気化させて蒸気とする方法としては、発熱している燃料電池本体にアルコール含有水溶液を直接的または間接的に接触させる方法があるが、電池の破壊（ショート等）を防止する観点から、このうち間接的に接触させる方法が推奨される。   In the present embodiment, heat (exhaust heat) generated when the fuel cell is operated refers to heat generated when a reaction occurs at the electrode of the fuel cell. In addition, as a method of vaporizing an alcohol-containing aqueous solution by using this heat to form a vapor, there is a method in which the alcohol-containing aqueous solution is directly or indirectly brought into contact with a heat generating fuel cell body. From the viewpoint of preventing (short circuit etc.), the method of indirect contact is recommended.

本実施形態においては、アルコール含有水溶液を気化させた蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下に調整することが好ましい。蒸気の温度を１００℃以上に保持することによって、アルコール含有水溶液の蒸気化を効率よく行うことができる。また、蒸気の温度を２００℃以下とすることにより、発生する蒸気を供給する膜によるアルコール成分と水成分との分離効果が低下することを抑制することができる。   In this embodiment, it is preferable to adjust the temperature of the vapor | steam which vaporized alcohol containing aqueous solution to 100 to 200 degreeC. By keeping the temperature of the steam at 100 ° C. or higher, the alcohol-containing aqueous solution can be efficiently vaporized. Moreover, it can suppress that the isolation | separation effect of the alcohol component and water component by the film | membrane which supplies the vapor | steam which generate | occur | produces makes the temperature of a vapor | steam 200 degrees C or less.

本実施形態においては、燃料電池の作動温度を１００℃以上２５０℃以下とすることが好ましい。ここで、作動温度とは、燃料電池のユニットの表面温度を指す。一般的に、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、溶融塩型燃料電池を作動させると、その作動温度は１００℃以上となるので、本実施形態では、これらの種類の燃料電池を採用することが推奨される。燃料電池の作動温度を１００℃以上に保持することによって、アルコール含有水溶液の蒸気化を効率よく行うことができる。また、燃料電池の作動温度を２５０℃以下とすることにより、発生する蒸気を供給する膜によるアルコール成分と水成分との分離効果が低下することを抑制することができる。   In the present embodiment, the operating temperature of the fuel cell is preferably set to 100 ° C. or more and 250 ° C. or less. Here, the operating temperature refers to the surface temperature of the unit of the fuel cell. In general, when a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, or a molten salt fuel cell is operated, the operating temperature becomes 100 ° C. or higher. Therefore, in this embodiment, these types of fuel cells are employed. It is recommended. By maintaining the operating temperature of the fuel cell at 100 ° C. or higher, the alcohol-containing aqueous solution can be efficiently vaporized. Moreover, it can suppress that the isolation | separation effect of the alcohol component and water component by the film | membrane which supplies the generate | occur | producing vapor | steam falls by making the operating temperature of a fuel cell into 250 degrees C or less.

このような観点から、本実施形態においては、リン酸を高分子膜や無機多孔体のマトリックスに含浸させたものを電解質として用いたリン酸型燃料電池に代表される酸ドープ型燃料電池の使用が特に推奨される。ここで、酸ドープ型燃料電池とは、リン酸、ホスホン酸、硫酸、トリフルオロ酢酸、トリフルオロメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホイミド酸、リンタングステン酸、またはこれらの混合物などの酸を、高分子膜や無機多孔体のマトリックスに含浸させたものを電解質として用いた燃料電池を指す。この酸ドープ型燃料電池の高分子膜の素材としては、例えば、上記の酸に対する親和性の高い、ポリベンズイミダゾール類、ポリ（ピリジン類）、ポリ（ピリミジン類）、ポリイミダゾール類、ポリベンゾチアゾール類、ポリベンゾオキサゾール類、ポリオキサジアゾール類、ポリキノリン類、ポリキノキサリン類、ポリチアジアゾール類、ポリ（テトラザピレン類）、ポリオキサゾール類、ポリチアゾール類、ポリビニルピリジン類、ポリビニルイミダゾール類、およびこれらの混合物などが挙げられる。   From this point of view, in this embodiment, the use of an acid-doped fuel cell typified by a phosphoric acid fuel cell using phosphoric acid impregnated in a polymer membrane or an inorganic porous matrix as an electrolyte is used. Is particularly recommended. Here, the acid-doped fuel cell refers to an acid such as phosphoric acid, phosphonic acid, sulfuric acid, trifluoroacetic acid, trifluoromethanesulfonic acid, trifluoromethanesulfimidic acid, phosphotungstic acid, or a mixture thereof, as a polymer membrane. Or a fuel cell using an inorganic porous material impregnated as an electrolyte. Examples of the material of the polymer membrane of the acid-doped fuel cell include polybenzimidazoles, poly (pyridines), poly (pyrimidines), polyimidazoles, and polybenzothiazole, which have high affinity for the above-mentioned acids. , Polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinolines, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (tetrazapyrenes), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines, polyvinylimidazoles, and mixtures thereof Etc.

＜工程（２）について＞
本実施形態において、アルコール成分と水成分とを分離可能な膜とは、アルコール含有水溶液の蒸気を膜に透過させたとき、水成分が分離されてアルコール濃度の上昇した処理液（高濃度アルコール水溶液）と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度の低下した処理液（低濃度アルコール水溶液）と、を得ることができる選択透過性を有する膜であり、例えば、アルコール選択透過性の膜や水選択透過性の膜である。このような機能を有する膜としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド等の親水性ポリマーを素材とした膜、スルホン酸基のような親水性官能基を有するフッ素系ポリマーを素材とした膜、スルホン酸基、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、のような親水性官能基を有するエンジニアリングプラスチックを素材とした膜、あるいはこれら親水性のポリマー素材を高分子多孔質や無機多孔質の表面に薄膜として積層させた複合膜などが挙げられる。また、親水性のゼオライトや疎水性のゼオライトを含む膜もアルコールや水に対する選択透過性が高く、本実施形態に係る選択透過性を有する膜として好適である。このような膜は、多孔質支持体の表面にゼオライトの薄膜を形成させることで得ることができる。 <About step (2)>
In the present embodiment, the membrane capable of separating the alcohol component and the water component is a treatment liquid (high-concentration alcohol aqueous solution) in which the water component is separated and the alcohol concentration is increased when the vapor of the alcohol-containing aqueous solution is allowed to pass through the membrane. ) And a treatment liquid (low-concentration alcohol aqueous solution) in which the alcohol component is separated and the alcohol concentration is reduced, for example, a selectively permeable membrane, for example, a selectively permeable membrane or a selectively permeated water. It is a sex film. As a film having such a function, for example, a film made of a hydrophilic polymer such as polyvinyl alcohol, polyimide, polyamide, or polyetherimide, or a fluorine-based polymer having a hydrophilic functional group such as a sulfonic acid group is used. Membranes made of engineering plastics with hydrophilic functional groups such as sulfonic acid groups, hydroxyl groups, carboxyl groups, amino groups, or hydrophilic polymer materials made of polymer porous or inorganic porous materials. Examples include a composite film laminated on the surface as a thin film. A membrane containing hydrophilic zeolite or hydrophobic zeolite also has high selective permeability to alcohol and water, and is suitable as a membrane having selective permeability according to this embodiment. Such a membrane can be obtained by forming a zeolite thin film on the surface of the porous support.

本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法を実機で実現するためには、例えば、後述するように、上記のような選択透過性を有する膜を備える膜分離装置を使用する。   In order to realize the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment with an actual machine, for example, as described later, a membrane separation apparatus including a membrane having selective permeability as described above is used.

＜工程（３）について＞
本実施形態において、低濃度アルコール水溶液を、燃料電池からを作動させた際に発生する電気によって電気分解するとは、膜分離装置における脱水工程で発生する低濃度アルコール水溶液を電解槽に導入し、この電解槽の電極に、燃料電池を作動させることによって発生した電気を通して、低濃度アルコール水溶液中に含まれる水を電解することを指す。電解のための電圧は、水が電解を始める電圧以上であれば良い。このような電圧を得るためには、燃料電池で得られる電圧をトランスなどにより調整すればよい。低濃度アルコール水溶液の電解を実行すると、陰極側からは水素が、陽極側からは酸素が発生する。本実施形態においては、これらの電極から発生した水素および酸素を、それぞれ、燃料ガスおよび酸化剤ガスとして燃料電池に戻して再利用する。 <About step (3)>
In this embodiment, electrolyzing a low concentration alcohol aqueous solution by electricity generated when the fuel cell is operated means that a low concentration alcohol aqueous solution generated in a dehydration step in a membrane separator is introduced into an electrolytic cell. It refers to electrolyzing water contained in a low-concentration alcohol aqueous solution through electricity generated by operating a fuel cell to an electrode of an electrolytic cell. The voltage for electrolysis should just be more than the voltage which water starts electrolysis. In order to obtain such a voltage, the voltage obtained by the fuel cell may be adjusted by a transformer or the like. When electrolysis of a low-concentration alcohol aqueous solution is performed, hydrogen is generated from the cathode side and oxygen is generated from the anode side. In this embodiment, hydrogen and oxygen generated from these electrodes are returned to the fuel cell for reuse as fuel gas and oxidant gas, respectively.

この工程（３）（電解）で得られるガスは、燃料電池の運転に必要な燃料ガスや酸化剤ガスの全量をまかなえるわけではないが、予め準備しなければならない燃料ガスおよび酸化剤ガスの量を低減させることができる。また、酸化剤ガスとして空気を利用している場合には、空気中の酸素濃度をあげることによって、燃料電池の発電効率を高めることに寄与できる。なお、電解される低濃度アルコール水溶液は、その一部をアルコール含有水溶液の原料タンクに戻し、残りの部分を工程（３）における電解に供しても良い。   The gas obtained in this step (3) (electrolysis) does not cover the total amount of fuel gas and oxidant gas necessary for the operation of the fuel cell, but the amount of fuel gas and oxidant gas that must be prepared in advance. Can be reduced. Further, when air is used as the oxidant gas, it is possible to contribute to increasing the power generation efficiency of the fuel cell by increasing the oxygen concentration in the air. A part of the low-concentration alcohol aqueous solution to be electrolyzed may be returned to the raw material tank of the alcohol-containing aqueous solution, and the remaining part may be subjected to electrolysis in the step (3).

（アルコール含有水溶液の脱水システム）
以上、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法について詳細に説明したが、続いて、このようなアルコール含有水溶器の脱水方法を実施するための脱水システムについて説明する。 (Dehydration system for alcohol-containing aqueous solution)
The alcohol-containing aqueous solution dehydration method according to the present embodiment has been described in detail above. Subsequently, a dehydration system for carrying out such an alcohol-containing water device dehydration method will be described.

本実施形態に係るアルコール含有水溶器の脱水システムは、燃料電池と、気化手段と、膜分離装置と、電解槽と、を備える。   The dehydration system for an alcohol-containing water-soluble device according to this embodiment includes a fuel cell, a vaporization means, a membrane separation device, and an electrolytic cell.

本実施形態に係る燃料電池は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて作動し、熱および電気を発生するデバイスである。この燃料電池の詳細については、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法の説明において述べたので、ここではその説明を省略する。   The fuel cell according to the present embodiment is a device that operates using fuel gas and oxidant gas and generates heat and electricity. The details of this fuel cell have been described in the description of the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment, and thus the description thereof is omitted here.

気化手段は、発熱している燃料電池に、アルコール含有水溶液を直接的または間接的に接触させ、アルコール含有水溶液を気化させる。この気化手段としては、発熱している燃料電池本体にアルコール含有水溶液を直接的または間接的に接触させる手段があるが、このうち間接的に接触させる手段が推奨される。燃料電池本体とアルコール含有水溶液を間接的に接触させる手段としては、燃料電池本体を熱伝導性が高く、かつ耐熱性のあるカバーで覆い、このカバーにアルコール含有水溶液を接触させる方法が簡便である。このようなカバーに利用できる素材のひとつとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン（登録商標））等のフッ素樹脂が挙げられる。   The vaporizing means makes the alcohol-containing aqueous solution vaporize by bringing the alcohol-containing aqueous solution into direct or indirect contact with the fuel cell that is generating heat. As this vaporization means, there is a means for bringing the alcohol-containing aqueous solution into direct or indirect contact with the heat generating fuel cell body, and among these means, a means for bringing it into contact is recommended. As a means for bringing the fuel cell main body and the alcohol-containing aqueous solution into contact indirectly, a method of covering the fuel cell main body with a cover having high heat conductivity and heat resistance and contacting the alcohol-containing aqueous solution with the cover is simple. . One of the materials that can be used for such a cover is, for example, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (trade name: Teflon (registered trademark)).

膜分離装置は、気化手段により気化されたアルコール含有水溶液の蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜を有し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液（高濃度アルコール水溶液）と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液（低濃度アルコール水溶液）と、に分離する。アルコール成分と水成分とを分離可能な膜の詳細については、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法の説明において述べたので、ここではその説明を省略する。なお、この膜分離装置で処理されたアルコール含有水溶液の蒸気は、選択透過性を有する膜がアルコール選択透過性であれば、膜の二次側蒸気（膜透過後の蒸気）を冷却して液化したものが高濃度アルコール水溶液となる。また、選択透過性を有する膜が水選択透過性であれば、膜の一次側蒸気（膜透過前の蒸気）を冷却して液化したものが高濃度アルコール水溶液となる。   The membrane separation apparatus has a membrane capable of separating the alcohol component and the water component from the vapor of the alcohol-containing aqueous solution vaporized by the vaporizing means, and the treatment liquid (the high-concentration alcohol aqueous solution) in which the water component is separated and the alcohol concentration is increased. ) And a treatment liquid (low-concentration alcohol aqueous solution) in which the alcohol component is separated and the alcohol concentration is reduced. The details of the membrane capable of separating the alcohol component and the water component have been described in the description of the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment, and thus the description thereof is omitted here. In addition, the vapor of the alcohol-containing aqueous solution treated by this membrane separation apparatus is liquefied by cooling the secondary side vapor (vapor after passage through the membrane) of the membrane if the membrane having selective permeability is alcohol selective permeability. The solution becomes a high-concentration alcohol aqueous solution. In addition, if the membrane having selective permeability is water selective permeability, a high-concentration alcohol aqueous solution is obtained by cooling and liquefying the primary side vapor (vapor before passing through the membrane) of the membrane.

電解槽は、膜分離装置で処理された後の低濃度アルコール水溶液を、燃料電池を作動させた際に発生する電気を用いて電気分解する。そして、この電気分解により生成した水素および酸素は、それぞれ、燃料電池の燃料ガスおよび酸化剤ガスとして再利用される。この際に用いる電解槽としては、公知の技術によるもので良い。   The electrolytic cell electrolyzes the low-concentration alcohol aqueous solution after being processed by the membrane separator using electricity generated when the fuel cell is operated. The hydrogen and oxygen produced by this electrolysis are reused as fuel gas and oxidant gas for the fuel cell, respectively. As an electrolytic cell used in this case, a known technique may be used.

また、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水システムは、気化手段により気化された蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整する蒸気温度調節手段をさらに備えていてもよい。   Moreover, the alcohol-containing aqueous solution dehydration system according to the present embodiment may further include a steam temperature adjusting unit that adjusts the temperature of the vaporized by the vaporizing unit to be 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.

このような本実施形態に係る脱水システムにおいては、燃料電池と膜分離装置とは、それぞれ、処理されるアルコール含有水溶液が燃料電池の熱によって蒸気となり、この蒸気が膜分離装置に導入され、燃料電池から発生した電気が電解槽に送られるように接続され、電解槽で発生した水素と酸素が燃料電池に供給されるような関係に配置されている。以下、図１を参照しながら、このような本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水システムの具体的な構成例について説明する。なお、図１は、本発明の第１の実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水システムの構成の一例を示す説明図である。   In such a dehydration system according to the present embodiment, the fuel cell and the membrane separator each have an alcohol-containing aqueous solution to be vaporized by the heat of the fuel cell, which is introduced into the membrane separator, Electricity generated from the battery is connected so as to be sent to the electrolytic cell, and hydrogen and oxygen generated in the electrolytic cell are arranged to be supplied to the fuel cell. Hereinafter, a specific configuration example of the alcohol-containing aqueous solution dehydration system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In addition, FIG. 1 is explanatory drawing which shows an example of a structure of the spin-drying | dehydration system of the alcohol containing aqueous solution which concerns on the 1st Embodiment of this invention.

図１に示すように、図中央の燃料電池ユニット１は、燃料電池カバー２にその周囲が覆われており、燃料電池カバー２の中に収納されている。図１の例においては、燃料電池ユニット１は、ポリベンズイミダゾールの高分子膜にリン酸を含浸させた電解質膜を用いたリン酸ドープ型燃料電池であり、その出力は３０キロワットである。燃料電池カバー２は、テフロン（登録商標）製であり、燃料電池ユニット１の表面と燃料電池カバー２とが接するように配置されている。蒸気密閉タンク３は、その内部で、アルコール含有水溶液が気化して蒸気となり、ここで発生した蒸気が後述する膜分離装置５や電解槽６に送られる。なお、この図１の例では、燃料電池カバー２及び蒸気密閉タンク３が本実施形態に係る気化手段を構成している。貯蔵タンク４は、アルコール含有水溶液を貯蔵しておくためのタンクであり、送液ポンプ１２とバルブ２３、２４によって液量を調整されて、アルコール含有水溶液が、貯蔵タンク４から蒸気密閉タンク３に送られる。本例において、アルコール含有水溶液は、濃度９５質量％のエタノール水溶液である。   As shown in FIG. 1, the fuel cell unit 1 in the center of the figure is covered with a fuel cell cover 2 and is housed in the fuel cell cover 2. In the example of FIG. 1, the fuel cell unit 1 is a phosphoric acid doped fuel cell using an electrolyte membrane in which a polymer membrane of polybenzimidazole is impregnated with phosphoric acid, and its output is 30 kilowatts. The fuel cell cover 2 is made of Teflon (registered trademark), and is disposed so that the surface of the fuel cell unit 1 and the fuel cell cover 2 are in contact with each other. Inside the vapor sealed tank 3, the alcohol-containing aqueous solution is vaporized to become vapor, and the vapor generated here is sent to a membrane separation device 5 and an electrolytic cell 6 described later. In the example of FIG. 1, the fuel cell cover 2 and the vapor sealed tank 3 constitute vaporizing means according to this embodiment. The storage tank 4 is a tank for storing the alcohol-containing aqueous solution. The amount of the liquid is adjusted by the liquid feed pump 12 and the valves 23 and 24, and the alcohol-containing aqueous solution is transferred from the storage tank 4 to the vapor sealed tank 3. Sent. In this example, the alcohol-containing aqueous solution is an ethanol aqueous solution having a concentration of 95% by mass.

膜分離装置５は、アルコール成分と水成分とを分離する能力を有した膜が収納されている。本例では、膜として水成分を選択的に透過する管状のゼオライト膜を用いている。この膜分離装置５としては、例えば、その処理能力が、アルコール濃度の上昇した処理液（高濃度アルコール水溶液）を１日当たりおよそ１トン得られるものを用いる。この膜分離装置５の構造を図２に示している。図２に示すように、この膜分離装置５は、アルコール成分と水成分とを分離する能力を有した膜として、管状の無機多孔体３５の内表面にゼオライトよりなる膜（ゼオライト膜３６）を積層させた構造を有し、このゼオライト膜３６は、水を選択的に透過させる。膜分離装置５の膜の一次側蒸気入口３９からアルコール含有水溶液の蒸気を導入すると、蒸気は膜の一次側３７に至る。膜の二次側３８を真空にすると、蒸気中の水分がゼオライト膜３６、無機多孔体３５の順で管状の膜を透過し、膜の二次側蒸気出口４１から排出される。膜の一次側３７にある蒸気は脱水されてアルコール濃度の高い状態となり、膜の二次側蒸気出口４１から排出される。膜分離装置５から、図１中下側に伸びているラインはバルブ２６と連結されているが、ここが膜の一次側蒸気の排出ラインとなり、排出した蒸気が冷却装置１７により液化し、バルブ２７を経由して一次側処理液貯蔵タンク９に貯蔵される。使用する膜が水選択透過性であれば、この一次側処理液貯蔵タンク９内の処理液がアルコール濃度の上昇した処理液（高濃度アルコール水溶液）となる。   The membrane separation device 5 stores a membrane having an ability to separate an alcohol component and a water component. In this example, a tubular zeolite membrane that selectively permeates the water component is used as the membrane. As the membrane separation device 5, for example, an apparatus capable of obtaining about 1 ton of processing liquid (high concentration alcohol aqueous solution) with an increased alcohol concentration per day is used. The structure of the membrane separation device 5 is shown in FIG. As shown in FIG. 2, this membrane separation device 5 has a membrane (zeolite membrane 36) made of zeolite on the inner surface of a tubular inorganic porous body 35 as a membrane having the ability to separate an alcohol component and a water component. The zeolite membrane 36 has a laminated structure and selectively allows water to permeate. When the vapor of the alcohol-containing aqueous solution is introduced from the primary side steam inlet 39 of the membrane of the membrane separator 5, the vapor reaches the primary side 37 of the membrane. When the secondary side 38 of the membrane is evacuated, moisture in the vapor passes through the tubular membrane in the order of the zeolite membrane 36 and the inorganic porous body 35 and is discharged from the secondary side vapor outlet 41 of the membrane. The steam on the primary side 37 of the membrane is dehydrated to a high alcohol concentration and is discharged from the secondary side steam outlet 41 of the membrane. A line extending downward from the membrane separation device 5 in FIG. 1 is connected to a valve 26. This is a discharge line for the primary side vapor of the membrane, and the discharged vapor is liquefied by the cooling device 17, and the valve 27 and stored in the primary processing liquid storage tank 9. If the membrane to be used is water selective permeability, the treatment liquid in the primary side treatment liquid storage tank 9 becomes a treatment liquid (high-concentration alcohol aqueous solution) having an increased alcohol concentration.

電解槽６は、陽極部７と陰極部８とを有し、通電によって酸素と水素が発生する。この発生した水素および酸素は、それぞれ、燃料電池を作動させる燃料ガスおよび酸化剤ガスとして利用される。そのため、発生した酸素と水素が燃料電池に供給されるように、陽極部７は、ガス量調整バルブ２１を介して空気または酸素タンク１０に連結され、陰極部８は、ガス量調整バルブ２２を介して水素タンク１１に連結されている。燃料電池ユニット１へ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス量は、ガス量調整バルブ１９とガス量調整バルブ２０で調整することができる。また、エアー送気用ブロー１３は、空気または酸素タンク１０内の酸化剤ガスを用いず、大気中から空気を取り入れるためのものであり、ガス量調整バルブ１８と連結されている。   The electrolytic cell 6 has an anode part 7 and a cathode part 8, and oxygen and hydrogen are generated by energization. The generated hydrogen and oxygen are used as fuel gas and oxidant gas for operating the fuel cell, respectively. Therefore, the anode part 7 is connected to the air or oxygen tank 10 via the gas amount adjusting valve 21 so that the generated oxygen and hydrogen are supplied to the fuel cell, and the cathode part 8 is connected to the gas amount adjusting valve 22. Via a hydrogen tank 11. The gas amounts of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell unit 1 can be adjusted by the gas amount adjusting valve 19 and the gas amount adjusting valve 20. The air supply blow 13 is for taking in air from the atmosphere without using the air or the oxidant gas in the oxygen tank 10, and is connected to the gas amount adjusting valve 18.

また、蒸気密閉タンク３の蒸気の取り出し口側には、蒸気の温度と圧力を調節する蒸気温度・圧力調節器１６が連結されており、蒸気温度・圧力調節器１６の蒸気密閉タンク３と反対側は、蒸気量調整バルブ２５を介して膜分離装置５に連結されている。本例では、蒸気温度・圧力調節器１６により、膜分離装置５に送り込まれる蒸気の温度を１００℃〜２００℃となるように調整する。このような蒸気温度・圧力調節器１６としては、例えば、冷媒や空気によって温度を調整する冷却機、電気ヒーター等で加温する加熱機、あるいは、それらの両機能を備えた装置などが挙げられる。   Further, a steam temperature / pressure regulator 16 for adjusting the temperature and pressure of the steam is connected to the steam outlet side of the steam-sealed tank 3, which is opposite to the steam-sealed tank 3 of the steam temperature / pressure regulator 16. The side is connected to the membrane separation device 5 through a steam amount adjusting valve 25. In this example, the steam temperature / pressure controller 16 adjusts the temperature of the steam fed into the membrane separation device 5 to be 100 ° C. to 200 ° C. Examples of such a vapor temperature / pressure regulator 16 include a cooler that adjusts the temperature with refrigerant or air, a heater that warms with an electric heater, or a device that has both of these functions. .

冷却装置１４、１５は、膜分離装置５の二次側蒸気を冷却して液化するものであり、蒸気量調整バルブ２９、３０を介して膜分離装置５と連結されている。また、液量調整バルブ２８は、膜分離装置５の二次側蒸気を系外に排出するためのものである。本例による脱水システムでは、膜分離装置５の二次側蒸気は、そのすべて、またはその一部を電解槽６に送り込むことができ、蒸気の一部を電解槽６に送り込む場合には、蒸気量調整バルブ３０（これは三方弁となっている）と液量調整バルブ２８を調整し、冷却装置１５で液化された二次側蒸気を系外に排出する。真空ポンプ３４は、膜分離装置５の二次側を真空に引いて蒸気が膜３６透過させるようにするための駆動力を供給する。図１中に破線で示した送電ライン３１は、燃料電池ユニット１で発電した電気を電解槽６中の陽極７および陰極８に送り込む送電ラインである。電流・電圧調整器３２は、電解槽６における電解電量と電圧を調整する。本例では、電流・電圧調節器３２は、例えば、電圧を１.５ボルト〜２．５ボルトに調整する。ただし、本発明においては、燃料電池ユニット１から直接１.５ボルト〜２．５ボルトの電圧を取り出せるようなスタック構造としてもよい。なお、図１には示されていないが、送電ライン３１は、途中から分岐して電気の一部を、系を運転するシステムの動力として使用することも可能である。   The cooling devices 14 and 15 cool and liquefy the secondary steam of the membrane separation device 5, and are connected to the membrane separation device 5 via the steam amount adjusting valves 29 and 30. The liquid amount adjusting valve 28 is for discharging the secondary side vapor of the membrane separation device 5 out of the system. In the dehydration system according to this example, all or part of the secondary side steam of the membrane separation device 5 can be sent to the electrolytic cell 6, and when a part of the steam is sent to the electrolytic cell 6, The amount adjusting valve 30 (which is a three-way valve) and the liquid amount adjusting valve 28 are adjusted, and the secondary side vapor liquefied by the cooling device 15 is discharged out of the system. The vacuum pump 34 supplies a driving force for evacuating the secondary side of the membrane separation device 5 so that vapor passes through the membrane 36. A power transmission line 31 indicated by a broken line in FIG. 1 is a power transmission line for sending electricity generated by the fuel cell unit 1 to the anode 7 and the cathode 8 in the electrolytic cell 6. The current / voltage regulator 32 adjusts the amount of electrolysis and the voltage in the electrolytic cell 6. In this example, the current / voltage regulator 32 adjusts the voltage to, for example, 1.5 volts to 2.5 volts. However, in the present invention, a stack structure in which a voltage of 1.5 to 2.5 volts can be taken directly from the fuel cell unit 1 may be used. Although not shown in FIG. 1, the power transmission line 31 can be branched from the middle and a part of electricity can be used as power for a system that operates the system.

次に、図１に示した脱水システムを使用したアルコール含有水溶液の脱水方法の具体例について説明する。   Next, a specific example of a method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution using the dehydration system shown in FIG. 1 will be described.

図１の水素タンク１１から燃料ガスを、空気または酸素タンク１０から酸化剤ガスを燃料電池ユニット１に供給して発電を開始するともに、エタノール含有水溶液を貯蔵タンク４から燃料電池ユニット１のボイラー部分へ供給する。このとき、ガス量調整バルブ１９、２０、液量調整バルブ２３、２４、および送液ポンプ１２を調整して、燃料電池の作動温度が、例えば１５０℃付近で一定となるようにする。発生した蒸気は、蒸気温度・圧力調整器１６で、例えば、温度が１２０℃〜１５０℃、圧力が１ＭＰａ以下となるように調整しながら膜分離装置５へ送り込む。真空ポンプ３４を駆動させると蒸気が膜３６を透過し始める。膜分離装置５から一次側蒸気および二次側蒸気が出てきたら、冷却装置１４および１７を稼動させ、一次側蒸気は貯蔵タンク９へ貯蔵する。二次側蒸気は電解槽６へ送られる。このときの流量は、蒸気量調整バルブ２９、３０で調整する。二次側蒸気が液化して得られる排水（エタノール濃度の低下した処理液）が電解槽６に貯まったら、電圧調整器３２で電圧を例えば２ボルトとなるように調整しながら送電する。電解槽６で発生した水素と酸素は、ガス量調整バルブ２１、２２を調整しながら、水素タンク１１および空気または酸素タンク１０に送り込む。本例では、蒸気の発生量が１日当たり１０００キログラム、一次側蒸気を液化してエタノール濃度が上昇した処理液は、エタノール濃度がおよそ９９．５質量％、収量が９５０キログラムとなる。一方、二次側蒸気を液化してエタノール濃度が低下した処理液（排液）は、エタノール濃度がおよそ９質量％、収量が５０キログラムとなる。また、本例で、電解によって消費される排液量はおよそ３０キログラムであり、排液のおよそ６０パーセントを削減することができる。   Fuel gas is supplied from the hydrogen tank 11 of FIG. 1 and oxidant gas is supplied from the air or oxygen tank 10 to the fuel cell unit 1 to start power generation, and an ethanol-containing aqueous solution is supplied from the storage tank 4 to the boiler portion of the fuel cell unit 1. To supply. At this time, the gas amount adjusting valves 19 and 20, the liquid amount adjusting valves 23 and 24, and the liquid feeding pump 12 are adjusted so that the operating temperature of the fuel cell becomes constant at around 150 ° C., for example. The generated steam is sent to the membrane separation device 5 while being adjusted by the steam temperature / pressure regulator 16 so that the temperature is 120 ° C. to 150 ° C. and the pressure is 1 MPa or less, for example. When the vacuum pump 34 is driven, vapor begins to pass through the membrane 36. When primary side steam and secondary side steam come out from the membrane separator 5, the cooling devices 14 and 17 are operated, and the primary side steam is stored in the storage tank 9. The secondary side steam is sent to the electrolytic cell 6. The flow rate at this time is adjusted by the steam amount adjusting valves 29 and 30. When the waste water obtained by liquefying the secondary steam (treatment liquid having a reduced ethanol concentration) is stored in the electrolytic cell 6, power is transmitted while the voltage is adjusted to 2 volts by the voltage regulator 32, for example. Hydrogen and oxygen generated in the electrolytic cell 6 are fed into the hydrogen tank 11 and the air or oxygen tank 10 while adjusting the gas amount adjusting valves 21 and 22. In this example, the amount of steam generated is 1000 kilograms per day, and the treatment liquid in which the primary side steam is liquefied to increase the ethanol concentration has an ethanol concentration of approximately 99.5 mass% and a yield of 950 kilograms. On the other hand, the treatment liquid (drainage) in which the secondary vapor is liquefied to lower the ethanol concentration has an ethanol concentration of about 9% by mass and a yield of 50 kilograms. In this example, the amount of drainage consumed by electrolysis is approximately 30 kilograms, and approximately 60 percent of the drainage can be reduced.

以上説明したような本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法および脱水システムによれば、従来の蒸気発生方法のように大きなエネルギーを用いることなくエネルギー効率を顕著に向上させ、また、二酸化炭素の発生もなく、アルコール含有水溶液、とりわけバイオマスを原料として製造されるアルコール含有水溶液の脱水工程を実施することができる。さらに、燃料電池で発生する電気エネルギーを使って脱水の際に発生する排水を電気分解し、燃料電池の燃料ガス、酸化剤ガスである水素と酸素を生成することができ、これによって脱水工程における排水量を低減することができる。   According to the dehydration method and dehydration system of an alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment as described above, the energy efficiency is remarkably improved without using large energy as in the conventional steam generation method, and the carbon dioxide There is no generation, and a dehydration step of an alcohol-containing aqueous solution, particularly an alcohol-containing aqueous solution produced using biomass as a raw material, can be performed. In addition, the electrical energy generated in the fuel cell can be used to electrolyze the wastewater generated during dehydration to produce fuel cell fuel gas and hydrogen and oxygen, which are oxidant gases. The amount of drainage can be reduced.

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法および脱水システムについて説明する。 [Second Embodiment]
Next, a method and system for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the second embodiment of the present invention will be described.

本発明の第２の実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法は、上述した第１の実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法とは異なり、工程（３）、すなわち、燃料電池が作り出す電気を用いて、膜脱水の際に発生する排水を電気分解して燃料電池を作動させるための燃料ガスと酸化剤ガスを作り出す工程については、必須ではない。その代わりに、工程（２）において、アルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給する蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下とすることを必須とする。   Unlike the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the first embodiment, the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the second embodiment of the present invention differs from the method for dehydrating the alcohol-containing aqueous solution according to the first embodiment described above. It is not essential to use the step of producing fuel gas and oxidant gas for electrolyzing the wastewater generated during membrane dehydration and operating the fuel cell. Instead, in the step (2), it is essential that the temperature of the steam supplied to the membrane capable of separating the alcohol component and the water component is 100 ° C. or more and 200 ° C. or less.

すなわち、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法は、下記（１）および（２）の工程を含む。
（１） アルコール含有水溶液を、燃料電池を作動させた際に発生する熱（排熱）により気化させて蒸気とする工程
（２） 工程（１）で気化させた蒸気の温度を１００℃以上２００℃以上となるように調整した後に、その蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液（以下、「高濃度アルコール水溶液」という。）と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液（以下、「低濃度アルコール水溶液」という。）と、を得る（脱水）工程 That is, the method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment includes the following steps (1) and (2).
(1) Step of vaporizing alcohol-containing aqueous solution by heat (exhaust heat) generated when the fuel cell is operated to form vapor (2) Temperature of vapor vaporized in step (1) is 100 ° C. or higher and 200 ° C. After adjusting the temperature to be equal to or higher than ° C., the vapor is supplied to a membrane capable of separating the alcohol component and the water component, and the treatment liquid in which the alcohol concentration is increased by separating the water component (hereinafter referred to as “high concentration aqueous alcohol solution”). And a treatment liquid (hereinafter referred to as “low-concentration alcohol aqueous solution”) having a reduced alcohol concentration as a result of separation of the alcohol component (dehydration) step.

また、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水システムは、上述した第１の実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水システムとは異なり、電解槽は必ずしも備えている必要はない。その代わりに、気化手段により気化され、アルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給する蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整する蒸気温度調節手段を備えていることを必須としている。   In addition, the dehydrating system for an alcohol-containing aqueous solution according to this embodiment is not necessarily provided with an electrolytic cell, unlike the dehydrating system for an alcohol-containing aqueous solution according to the first embodiment described above. Instead, it is provided with a steam temperature adjusting means for adjusting the temperature of the vapor that is vaporized by the vaporizing means and supplied to the membrane capable of separating the alcohol component and the water component to be 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. Mandatory.

すなわち、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて作動し、熱および電気を発生する燃料電池と、発熱している燃料電池に、アルコール含有水溶液を直接的または間接的に接触させ、アルコール含有水溶液を気化させる気化手段と、気化手段により気化されたアルコール含有水溶液の蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜を有し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液と、に分離する膜分離装置と、蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整する蒸気温度調節手段と、を備えている。   That is, the alcohol-containing aqueous solution dehydration system according to the present embodiment operates using a fuel gas and an oxidant gas, and directly supplies the alcohol-containing aqueous solution to a fuel cell that generates heat and electricity and a fuel cell that generates heat. A vaporization means that vaporizes the alcohol-containing aqueous solution by contact with the liquid or the vapor, and a membrane capable of separating the alcohol component and the water component from the vapor of the alcohol-containing aqueous solution vaporized by the vaporization means, so that the water component is separated. And a membrane separation device that separates the treatment liquid whose alcohol concentration has been increased and the treatment liquid whose alcohol concentration has been reduced due to separation of the alcohol component, and steam that adjusts the temperature of the steam to 100 ° C. or more and 200 ° C. or less. Temperature adjusting means.

このように、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法および脱水システムによれば、第１の実施形態の場合と同様に、アルコール成分と水成分とに分離可能な膜に供給する蒸気の温度を適切に制御することで、アルコール水溶液の脱水工程のエネルギー効率を顕著に向上させることができる。   Thus, according to the dehydration method and dehydration system for an alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment, the temperature of the steam supplied to the membrane that can be separated into the alcohol component and the water component, as in the first embodiment. By controlling appropriately, the energy efficiency of the dehydration process of the aqueous alcohol solution can be remarkably improved.

また、必須とする構成の違い以外の点については、本実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水方法および脱水システムは、上述した第１の実施形態の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。   Moreover, since the dehydrating method and dehydrating system of the alcohol-containing aqueous solution according to the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above except for the essential differences, detailed description is omitted. To do.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

本発明の第１の実施形態に係るアルコール含有水溶液の脱水システムの構成の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a structure of the spin-drying | dehydration system of the alcohol containing aqueous solution which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 同実施形態に係る膜分離装置の構成の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a structure of the membrane separator which concerns on the same embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池ユニット
２ 燃料電池カバー
３ 蒸気密閉タンク
４ アルコール含有水溶液の貯蔵タンク
５ 膜分離装置
６ 電解槽
７ 陽極部分
８ 陰極部分
９ 一次側処理液貯蔵タンク
１０ 空気または酸素タンク
１１ 水素タンク
１２ 送液ポンプ
１３ エアー送気用ブロアー
１４ 冷却装置
１５ 冷却装置
１６ 蒸気温度・圧力調節器
１７ 冷却装置
１８ ガス量調整バルブ
１９ ガス量調整バルブ
２０ ガス量調整バルブ
２１ ガス量調整バルブ
２２ ガス量調整バルブ
２３ 液量調整バルブ
２４ 液量調整バルブ
２５ 蒸気量調整バルブ
２６ 蒸気量調整バルブ
２７ 液量調整バルブ
２８ 液量調整バルブ
２９ 蒸気量調整バルブ
３０ 蒸気量調整バルブ
３１ 送電ライン
３２ 電圧調整器
３３ 液量調整バルブ
３４ 真空ポンプ
３５ ゼオライト膜を貼り付けた無機多孔体
３６ ゼオライト膜
３７ 膜の一次側
３８ 膜の二次側
３９ 膜の一次側蒸気入口
４０ 膜の一次側蒸気出口
４１ 膜の二次側蒸気出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell unit 2 Fuel cell cover 3 Steam-sealed tank 4 Storage tank of alcohol-containing aqueous solution 5 Membrane separator 6 Electrolyzer 7 Anode part 8 Cathode part 9 Primary side treatment liquid storage tank 10 Air or oxygen tank 11 Hydrogen tank 12 Liquid supply Pump 13 Air blower 14 Cooling device 15 Cooling device 16 Steam temperature / pressure regulator 17 Cooling device 18 Gas amount adjusting valve 19 Gas amount adjusting valve 20 Gas amount adjusting valve 21 Gas amount adjusting valve 22 Gas amount adjusting valve 23 Liquid Volume adjustment valve 24 Fluid volume adjustment valve 25 Steam volume adjustment valve 26 Steam volume adjustment valve 27 Fluid volume adjustment valve 28 Fluid volume adjustment valve 29 Steam volume adjustment valve 30 Steam volume adjustment valve 31 Transmission line 32 Voltage regulator 33 Fluid volume adjustment valve 34 Vacuum pump 35 Affixing zeolite membrane All the inorganic porous material 36 zeolite film 37 film of the primary side 38 film of the secondary side 39 film of the primary steam inlet 40 film of the primary gas outlet 41 film secondary vapor outlet

Claims (14)

アルコール含有水溶液を、燃料電池を作動させた際に発生する熱により気化させて蒸気とする第１工程と、
前記蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液とを得る第２工程と、
前記アルコール濃度が低下した処理液を、前記燃料電池を作動させた際に発生する電気を用いて電気分解し、当該電気分解により生成した水素および酸素を、それぞれ、前記燃料電池の燃料ガスおよび酸化剤ガスとして再利用する第３工程と、
を含むことを特徴とする、アルコール含有水溶液の脱水方法。 A first step in which an alcohol-containing aqueous solution is vaporized by heat generated when the fuel cell is operated to form a vapor;
The steam is supplied to a membrane capable of separating the alcohol component and the water component to obtain a treatment liquid in which the water component is separated and the alcohol concentration is increased, and a treatment liquid in which the alcohol component is separated and the alcohol concentration is reduced. Two steps,
The treatment liquid having a reduced alcohol concentration is electrolyzed using electricity generated when the fuel cell is operated, and hydrogen and oxygen generated by the electrolysis are respectively converted into fuel gas and oxidation of the fuel cell. A third step of reusing as the agent gas;
A method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution. 前記第２工程で、前記蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整することを特徴とする、請求項１に記載のアルコール含有水溶液の脱水方法。   2. The method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to claim 1, wherein in the second step, the temperature of the steam is adjusted to be 100 ° C. or more and 200 ° C. or less. アルコール含有水溶液を、燃料電池を作動させた際に発生する熱により気化させて蒸気とする第１工程と、
前記蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜に供給し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液とを得る第２工程と、
を含み、
前記第１工程で、前記蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整することを特徴とする、アルコール含有水溶液の脱水方法。 A first step in which an alcohol-containing aqueous solution is vaporized by heat generated when the fuel cell is operated to form a vapor;
The steam is supplied to a membrane capable of separating the alcohol component and the water component to obtain a treatment liquid in which the water component is separated and the alcohol concentration is increased, and a treatment liquid in which the alcohol component is separated and the alcohol concentration is reduced. Two steps,
Including
In the first step, the temperature of the steam is adjusted to be 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. 前記燃料電池の作動温度を１００℃以上２５０℃以下とすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のアルコール含有水溶液の脱水方法。   The method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to any one of claims 1 to 3, wherein an operating temperature of the fuel cell is 100 ° C or higher and 250 ° C or lower. 前記燃料電池は、酸をマトリックスに含浸させたものを電解質として用いた酸ドープ型燃料電池であることを特徴とする、請求項４に記載のアルコール含有水溶液の脱水方法。   5. The method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to claim 4, wherein the fuel cell is an acid-doped fuel cell using an electrolyte impregnated in an acid matrix. 前記第１工程で、前記アルコール含有水溶液を発熱している前記燃料電池に間接的に接触させることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のアルコール含有水溶液の脱水方法。   The method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to any one of claims 1 to 5, wherein in the first step, the alcohol-containing aqueous solution is indirectly contacted with the fuel cell that is generating heat. 前記アルコール含有水溶液は、バイオマスを原料として得られることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のアルコール含有水溶液の脱水方法。   The method for dehydrating an alcohol-containing aqueous solution according to claim 1, wherein the alcohol-containing aqueous solution is obtained using biomass as a raw material. 燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて作動し、熱および電気を発生する燃料電池と、
発熱している前記燃料電池に、アルコール含有水溶液を直接的または間接的に接触させ、前記アルコール含有水溶液を気化させる気化手段と、
前記気化手段により気化された前記アルコール含有水溶液の蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜を有し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液と、に分離する膜分離装置と、
前記アルコール濃度が低下した処理液を、前記燃料電池を作動させた際に発生する電気を用いて電気分解する電解槽と、
を備え、
前記電気分解により生成した水素および酸素を、それぞれ、前記燃料電池の燃料ガスおよび酸化剤ガスとして再利用することを特徴とする、アルコール含有水溶液の脱水システム。 A fuel cell that operates using fuel gas and oxidant gas to generate heat and electricity;
Vaporization means for directly or indirectly contacting the alcohol-containing aqueous solution with the exothermic fuel cell to vaporize the alcohol-containing aqueous solution;
The alcohol component is separated from the treatment liquid in which the alcohol component and the water component are separated from the vapor of the alcohol-containing aqueous solution vaporized by the vaporization means, and the water component is separated and the alcohol concentration is increased. A treatment liquid having a reduced alcohol concentration, and a membrane separation device for separation into
An electrolytic cell for electrolyzing the treatment liquid having a reduced alcohol concentration using electricity generated when the fuel cell is operated;
With
A dehydration system for an alcohol-containing aqueous solution, wherein hydrogen and oxygen generated by the electrolysis are reused as fuel gas and oxidant gas of the fuel cell, respectively. 前記蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整する蒸気温度調節手段をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載のアルコール含有水溶液の脱水システム。   The alcohol-containing aqueous solution dehydration system according to claim 8, further comprising a steam temperature adjusting unit that adjusts the temperature of the steam to be 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. 燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて作動し、熱および電気を発生する燃料電池と、
発熱している前記燃料電池に、アルコール含有水溶液を直接的または間接的に接触させ、前記アルコール含有水溶液を気化させる気化手段と、
前記気化手段により気化された前記アルコール含有水溶液の蒸気をアルコール成分と水成分とを分離可能な膜を有し、水成分が分離されてアルコール濃度が上昇した処理液と、アルコール成分が分離されてアルコール濃度が低下した処理液と、に分離する膜分離装置と、
前記蒸気の温度を１００℃以上２００℃以下となるように調整する蒸気温度調節手段と、
を備えることを特徴とする、アルコール含有水溶液の脱水システム。 A fuel cell that operates using fuel gas and oxidant gas to generate heat and electricity;
Vaporization means for directly or indirectly contacting the alcohol-containing aqueous solution with the exothermic fuel cell to vaporize the alcohol-containing aqueous solution;
The alcohol component is separated from the treatment liquid in which the alcohol component and the water component are separated from the vapor of the alcohol-containing aqueous solution vaporized by the vaporization means, and the water component is separated and the alcohol concentration is increased. A treatment liquid having a reduced alcohol concentration, and a membrane separation device for separation into
Steam temperature adjusting means for adjusting the temperature of the steam to be 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower;
A dehydration system for an alcohol-containing aqueous solution. 前記燃料電池の作動温度は、１００℃以上２５０℃以下であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載のアルコール含有水溶液の脱水システム。   The dehydrating system for an alcohol-containing aqueous solution according to any one of claims 8 to 10, wherein an operating temperature of the fuel cell is 100 ° C or higher and 250 ° C or lower. 前記燃料電池は、酸をマトリックスに含浸させたものを電解質として用いた酸ドープ型燃料電池であることを特徴とする、請求項１１に記載のアルコール含有水溶液の脱水システム。   12. The alcohol-containing aqueous solution dehydration system according to claim 11, wherein the fuel cell is an acid-doped fuel cell using an electrolyte impregnated with an acid as a matrix. 前記燃料電池の周囲の一部または全部を覆うフッ素樹脂で形成されたカバーをさらに備え、
前記気化手段は、前記アルコール含有水溶液を前記カバーに接触させることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれかに記載のアルコール含有水溶液の脱水システム。 A cover formed of a fluororesin that covers a part or all of the periphery of the fuel cell;
The dehydrating system for an alcohol-containing aqueous solution according to any one of claims 8 to 12, wherein the vaporizing means brings the alcohol-containing aqueous solution into contact with the cover. 前記アルコール含有水溶液は、バイオマスを原料として得られることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれかに記載のアルコール含有水溶液の脱水システム。


The alcohol-containing aqueous solution dehydration system according to any one of claims 8 to 13, wherein the alcohol-containing aqueous solution is obtained using biomass as a raw material.


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