JP2015091572A - バイオガス生成システム、ならびにそのバイオガス生成システムを用いてバイオガスおよび二酸化炭素還元生成物を生成する方法 - Google Patents

バイオガス生成システム、ならびにそのバイオガス生成システムを用いてバイオガスおよび二酸化炭素還元生成物を生成する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】不純物として液体中に溶存した二酸化炭素を有効利用するバイオガス生成システムを提供する。
【解決手段】メタン菌により有機廃棄物を分解してバイオガスを発生させる発酵槽と、発生したバイオガス中の二酸化炭素を液体中に溶解させることによりメタンを濃縮させるバイオガス精製装置と、液体中に溶解された二酸化炭素よりメタンを生成する光電気化学装置と、を備えるバイオガス生成システムであって、光電気化学装置は、液体中に溶解された二酸化炭素を含有する第１電解液を収容するための陰極室と、第２電解液を収容するための陽極室と、陰極室と陽極室との間に挟まれる固体電解質膜と、第１電解液に接するように陰極室の内部に設けられるカソード電極と、第２電解液に接するように陽極室の内部に設けられるアノード電極と、カソード電極及びアノード電極に負の電圧及び正の電圧をそれぞれ印加する外部電源と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタン菌の作用によるメタン生成に伴い生じる二酸化炭素を有効に利用するバイオガス生成システムに関する。本発明は、そのバイオガス生成システムを用いてバイオガスおよび二酸化炭素還元生成物を生成する方法にも関する。
近年、バイオガスとして利用可能なメタンを生成するメタン発酵が注目されている。特許文献１は、基本的なバイオガス生成システムを開示している。
バイオガスは、二酸化炭素および発酵原料に含有される硫黄成分に由来する硫化水素を不純物として含有する。特許文献２は、バイオガスのメタン濃度を上昇させる技術を開示している。具体的には、不純物を含有するバイオガスが、水又は排水のような吸収液中にマイクロバブル又はナノバブルの形で分散され、二酸化炭素および硫化水素を吸収液中に溶解させる。このようにして、二酸化炭素および硫化水素のような不純物はバイオガスから分離され、メタンを高純度に含有する精製バイオガスを得る。
特許文献３は、再生可能エネルギー多段利用システムを開示している。
特許文献４は、二酸化炭素還元方法、並びにそれを用いる二酸化炭素還元触媒および二酸化炭素還元装置を開示している。
特開２００２−２３９５０８号公報 特開２００８−２５５２０９号公報 特開２０１２−０９０６２３号公報 国際公開第２０１１／０６７８７３号
特許文献２には、バイオガス中のメタンガスの濃度を上昇させる技術が開示されているが、不純物である二酸化炭素を有効利用することについて考慮されていなかった。
本発明の目的は、不純物として液体中に溶存した二酸化炭素を有効に利用するバイオガス生成システム及びバイオガス生成方法を提供することである。
本発明は、バイオガス生成システムであって、
メタン菌の作用により有機廃棄物を分解して二酸化炭素およびメタンを含有するバイオガスを発生させるための発酵槽、
発生した前記バイオガスに含有される二酸化炭素を液体に溶解させることにより前記バイオガスに含有されるメタンを濃縮させるためのバイオガス精製装置、および
前記液体中に溶解された二酸化炭素から、メタン、一酸化炭素およびギ酸からなる群から選択される少なくとも１種の二酸化炭素還元生成物を生成する光電気化学装置、
を具備し、
前記光電気化学装置は、
前記液体中に溶解された二酸化炭素を含有する第１電解液を収容するための陰極室、
第２電解液を収容するための陽極室、
前記陰極室と前記陽極室との間に挟まれる固体電解質膜、
前記第１電解液に接するように前記陰極室の内部に設けられるカソード電極、
前記第２電解液に接するように前記陽極室の内部に設けられるアノード電極、および
前記カソード電極及び前記アノード電極に負の電圧及び正の電圧をそれぞれ印加するための外部電源
を具備する。
本発明は、不純物として液体中に溶解した二酸化炭素を有効に利用するバイオガス生成システム及びバイオガス生成方法を提供する。
図１は、実施形態によるバイオガス生成システムの概略図を示す。 図２は、実施形態による光電気化学装置の概略図を示す。
本発明の実施形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。
図１は、実施形態によるバイオガス生成システム１０の概略図を示す。
バイオガス生成システム１０は、発酵槽１１、バイオガス精製装置１５、及び光電気化学装置１６を具備している。バイオガス生成システム１０は、更に、ガスバッグ１２、脱硫装置１３、及び貯水槽１４を具備し得る。
発酵槽１１は、有機廃棄物を発酵させることによってメタンを得るために用いられる。有機廃棄物の例は、生ゴミ、家畜糞尿、下水処理汚泥、又は浄化槽汚泥である。有機廃棄物が投入された発酵槽１１内では、嫌気性条件下にて、メタン菌の作用により有機廃棄物が発酵されてバイオガスが発生する。発生したバイオガスは、メタン、二酸化炭素、及び硫化水素を含有する。二酸化炭素及び硫化水素は不純物である。生成されたバイオガスは、ガスバッグ１２に貯められる。
ガスバッグ１２は、ガス排気におけるバッファの役割を果たす。ガスバッグ１２は、概ね１日分のガス排気量に相当する容量があれば、バッファとしての役割を果たす。ガスバッグ１２は、金属製又はビニール製である。ガスバッグ１２に貯められたバイオガスは、脱硫装置１３に供給される。
脱硫装置１３は、バイオガスに含有される硫化水素を除去する。硫化水素は、光電気化学装置１６に悪影響を与えるため、除去される必要がある。脱硫方法の例は、水素化脱硫である。硫化水素は、バイオガスが光電気化学装置１６に供給されるまでに除去されることを必要とする。なぜなら、バイオガスに含有される硫化水素は、光電気化学装置１６に含まれるアノード電極２１１およびカソード電極２２１を腐食し得るからである。
バイオガス精製装置１５は、バイオガスに含有される二酸化炭素を除去する。具体的には、バイオガス精製装置１５においては、二酸化炭素を含有するバイオガスは高圧の液体に接触され、二酸化炭素を高圧の液体に溶解させる。これにより、バイオガスに含有される二酸化炭素が除去される。その結果、バイオガス精製装置１５はバイオガスを精製してメタンガスを得る。
一般的に、バイオガス精製装置１５に含まれる液体が低温を有し、かつバイオガス精製装置１５の内部が高い圧力を有する状態で、バイオガスはバイオガス精製装置１５において精製される。バイオガスを精製する方法においては、例えば、バイオガスはバイオガス精製装置１５の下部から導入され、バイオガス精製装置１５の上部から液体がバイオガスに振り掛けられる。他の方法では、マイクロバブル又はナノバブルのような細かい泡の形態のバイオガスが液体中に導入され得る。
バイオガス精製装置１５においては、脱硫装置１３により硫化水素が除去されたバイオガスがバイオガス精製装置１５の内部に圧縮され得る。他の例として、脱硫装置１３およびバイオガス精製装置１５の間に、バイオガスを圧縮するための装置が設けられ得る。バイオガス精製装置１５の内部は、５気圧以上の圧力を有することが望ましい。より望ましくは、１０気圧以上である。
バイオガス精製装置１５には、貯水槽１４から液体が供給され得る。液体は摂氏１５度以下の温度を有することが望ましい。より望ましくは摂氏１０度以下である。
貯水槽１４には、バイオガス精製装置１５へ供給されることになる液体が貯留される。貯水槽１４の材料は、水を貯められる材質であれば限定されない。貯水槽１４は、１時間当たりに排出されるバイオガスの約１０倍以上の容積を有することが望ましい。
貯水槽１４は、バイオガス精製装置１５へ液体を供給するための給水口および光電気化学装置１６より液体を供給されるための排水口を具備する。貯水槽１４に貯留される液体は、後述される光電気化学装置１６に用いられるため、電解液が望ましい。貯水槽１４に貯留される液体の例は、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、炭酸水素カリウム水溶液、又は炭酸水素ナトリウム水溶液である。その他の例は、自然界に存在する海水、又は濃縮した海水であり得る。
（光電気化学装置１６）
図２は、二酸化炭素を還元するための光電気化学装置１６の概略図を示す。
光電気化学装置１６は、陽極室２１、陰極室２２、固体電解質膜２３、及び外部電源２９を具備する。
陽極室２１は第１電解液を保持する。陽極室２１に保持される第１電解液は、陰極室２２に保持される第２電解液と同一でも良い。望ましくは、第１電解液は、第２電解液とは異なる。陽極室２１の内部には、第１電解液に接するようにアノード電極２１１が設けられる。外部電源２９よりアノード電極２１１に電圧が印加され、アノード電極２１１の表面に酸素が生成され得る。アノード電極２１１の材料は、水の酸化反応が安定的に生じる限り、限定されない。アノード電極の材料の例は、白金、金、又はグラッシーカーボンである。
陰極室２２は第２電解液を保持する。陰極室２２に保持される第２電解液は、バイオガス精製装置１５より供給される液体を含有する。陰極室２２は、バイオガス精製装置１５より供給された液体を陰極室２２内部に導入するための導入口２５、陰極室２２内部の液体を貯水槽１４へ排出する排水口２６、および排気口２７を具備している。液体は、バイオガス精製装置１５、陰極室２２、及び貯水槽１４の間において循環する。液体は、常に循環してもよい。あるいは、液体は、所定の間隔ごとに循環しても良い。所定の間隔は、陰極室２２に保持される液体の容量及びアノード電極の表面積に依存し得る。
陰極室２２の内部には、電解液に接するようにカソード電極２２１が設置される。電解液中に含有される二酸化炭素の還元生成物は、カソード電極２２１の材料に依存する。カソード電極２２１が銅又は銅の合金である場合、二酸化炭素の還元生成物としてメタンが生成され得る。カソード電極２２１の材料が金または銀である場合には、二酸化炭素の還元生成物として一酸化炭素が生成され得る。カソード電極２２１の材料がインジウム又は錫である場合には、二酸化炭素の還元生成物として蟻酸が生成され得る。このように、二酸化炭素の還元生成物は、有機物または一酸化炭素である。
陽極室２１において生成される酸素が、陰極室２２において生成される二酸化炭素還元生成物に混合しないように、陽極室２１および陰極室２２は互いに分離されることが望ましい。陽極室２１および陰極室２２の間では、イオンの行き来が必要なため、陽極室２１および陰極室２２は固体電解質膜２３を挟んで互いに分離されることが望ましい。
陽極室２１および陰極室２２には、酸化還元反応を促進するため、電解液の攪拌機構を設けられることが望ましい。攪拌機構の例は、マグネティックスターラーである。
外部電源２９は、カソード電極２２１及びアノード電極２１１に負の電圧及び正の電圧をそれぞれ印加する。外部電源２９の例は、ポテンショスタット、太陽電池２４、又は蓄電池である。
太陽電池２４から出力される出力電力は、天候に依存して変化し得る。そのため、太陽電池２４が外部電源２９として用いられる場合、電流を一定にするための整流回路２８が備えられ得る。太陽光が充分に得られない場合に、蓄電池を太陽電池と共に用いることは有効である。
（二酸化炭素の還元方法）
電解液に溶解している二酸化炭素は、カソード電極２２１上で還元される。還元に必要なエネルギーは外部電源２９より供給される。カソード電極２２１上では二酸化炭素が還元される一方で、アノード電極２１１上では水が酸化される。これらの酸化還元反応は、化学量論比が釣り合うように起こる。
カソード電極２２１において生成された二酸化炭素還元生成物の気相成分は、陰極室２２に設けられた排気口２７を通して採取される。一方、カソード電極２２１にて生成された二酸化炭素還元生成物の液相成分は、液体に溶存した形で生成される。そのため、液相成分は、後に濃縮工程を経て抽出される。気相成分の例は、メタンである。液相成分の例は、酸又はアルコールである。濃縮工程の例は、化学プラントにおいて一般的に用いられるギ酸の濃縮プロセスである。
（実施例）
以下、実施例を参照しながら、本発明がより詳細に説明される。
発酵槽１１として２００リットルの容器が用意された。有機廃棄物として厨芥ゴミが準備された。２０％の固形物濃度を有する厨芥ゴミ（３キログラム）が、２０日に亘って、毎日、発酵槽１１へメタン菌と共に投入された。発酵槽１１内部の温度が摂氏４０度に維持された。安定的な発酵によりメタンが生成するまで厨芥ゴミはメタン菌と共に撹拌された。このようにして、発酵槽１１の内部で、バイオガスが生成された。
次に、発酵槽１１内にて生成されたバイオガスは、ガスバッグ１２（容積：４００リットル）へ供給された。以下の表１は、ガスバッグ１２内のバイオガスの分析結果を示す。
次に、ガスバッグ１２および脱硫装置１３の間にフローメーターが設けられ、ガスバッグ１２から脱硫装置１３へ供給されるバイオガスの流量を制御した。バイオガスの流量は１時間あたり２０リットルであった。
ガスバッグ１２から供給されたバイオガスに含有される硫化水素は、脱硫装置１３内で除去された。
硫化水素が除去されたバイオガスは、脱硫装置１３からバイオガス精製装置１５へ供給された。バイオガス精製装置１５へ供給されたバイオガスは、バイオガス精製装置１５の内部にて圧縮された。一方、バイオガス精製装置１５へ供給されたバイオガスに含有される二酸化炭素は、９気圧かつ摂氏５度の温度で下にて、貯水槽１４から供給された液体に溶解された。貯水槽１４から導入された液体は、０．５Ｍの濃度を有する塩化カリウム水溶液であった。バイオガスに含有されるメタンは、バイオガス精製装置１５の上部に設けられた採取口より回収された。採取口より回収されたメタンは、９５％の純度を有していた。
バイオガスに含有される二酸化炭素が溶解した液体は、バイオガス精製装置１５から光電気化学装置１６へ供給された。
以下、光電気化学装置１６が説明される。図２に示される光電気化学装置１６が作製された。光電気化学装置１６に含まれる要素は、以下の通りである。
カソード電極：１ｍ２の銅板（３枚使用）
アノード電極：１ｍ２のカーボン板（３枚使用）
第１電解液：０．５Ｍ塩化カリウム水溶液
第２電解液：０．５Ｍ塩化カリウム水溶液
固体電解質膜：ナフィオン膜（デュポン社より入手）
外部電源：太陽電池（発電面積：１８ｍ２、パナソニック株式会社製）。
陽極室２１及び陰極室２２の容積は、それぞれ１００リットルであった。陽極室２１及び陰極室２２には、それぞれ攪拌機構としてスクリューが設けられていた。陰極室２２には、バイオガス精製装置１５より二酸化炭素が溶存した塩化カリウム水溶液が供給される導入口２５、陰極室２２に含有されている塩化カリウム水溶液を貯水槽１４へ供給する排水口２６、および陰極室２２内にて生成された気相成分を光電気化学装置１６の外部へ放出する排気口２７が備えられていた。
太陽電池には、太陽光が十分に照射された。外部電源２９には、カソード電極２２１からアノード電極２１１に流れる電流を６００アンペアに調整するため、整流回路２８が設けられていた。
二酸化炭素が溶解した塩化カリウム水溶液は、導入口２５を介して、バイオガス精製装置１５より陰極室２２へ供給されるように、光電気化学装置１６は設計された。陰極室２２内の塩化カリウム水溶液は、排水口２６を介して、陰極室２２より貯水槽１４へ供給されるように、光電気化学装置１６は設計された。塩化カリウム水溶液は、ポンプ（１００リットル／ｍｉｎ）を用いて循環されるように、光電気化学装置１６は設計された。
二酸化炭素が溶解した塩化カリウム水溶液が、バイオガス精製装置１５から陰極室２２に供給された。外部電源２９を用いて、アノード電極２１１およびカソード電極２２１の間に４ボルトの電位が印加された。
陰極室２２において生成された気相成分は排気口２７より回収された。陰極室２２において生成された液相成分は排水口２６より回収された。陰極室２２において生成された気相成分は、フローメーターを用いて、１時間当たり１０．８リットルの流量で排気口２７を介して回収された。表２は、回収された気相成分の分析結果を示す。
バイオガス生成システム１０を７月の晴天時に３時間稼動させた。その結果、バイオガス精製装置１５のメタン生成量は３６リットルであった。一方、光電気化学装置１６のメタン生成量は１１．７リットルであった。光電気化学装置１６の水素生成量は１１．４リットルであった。
以上の実施例から、光電気化学装置１６を導入することにより、メタンのような可燃性ガスの生成量が、３６リットルから約１．６倍である５９．１リットルに増加することがわかる。
本発明は、光エネルギーを用いて、不純物として液体中に溶存した二酸化炭素を有効に利用するバイオガス生成システムおよび方法を提供する。
１０ バイオガス生成システム
１１ 発酵槽
１２ ガスバッグ
１３ 脱硫装置
１４ 貯水槽
１５ バイオガス精製装置
１６ 光電気化学装置
２１ 陽極室
２２ 陰極室
２３ 固体電解質膜
２４ 太陽電池
２５ 導入口
２６ 排水口
２７ 排気口
２８ 整流回路
２９ 外部電源
２１１ アノード電極
２２１ カソード電極

Claims (9)

  1. メタン菌の作用により有機廃棄物を分解して二酸化炭素およびメタンを含有するバイオガスを発生させるための発酵槽、
    発生した前記バイオガスに含有される二酸化炭素を液体に溶解させることにより前記バイオガスに含有されるメタンを濃縮させるためのバイオガス精製装置、および
    前記液体中に溶解された二酸化炭素から、メタン、一酸化炭素およびギ酸からなる群から選択される少なくとも１種の二酸化炭素還元生成物を生成する光電気化学装置、
    を具備するバイオガス生成システムであって、
    前記光電気化学装置は、
    前記液体中に溶解された二酸化炭素を含有する第１電解液を収容するための陰極室、
    第２電解液を収容するための陽極室、
    前記陰極室と前記陽極室との間に挟まれる固体電解質膜、
    前記第１電解液に接するように前記陰極室の内部に設けられるカソード電極、
    前記第２電解液に接するように前記陽極室の内部に設けられるアノード電極、および
    前記カソード電極及び前記アノード電極に負の電圧及び正の電圧をそれぞれ印加するための外部電源
    を具備する、バイオガス生成システム。
  2. 前記カソード電極は、銅、金、銀、インジウム、錫又はこれらの合金を含有する、請求項１に記載のバイオガス生成システム。
  3. 前記アノード電極は白金、金又はグラッシーカーボンを含有する、請求項１に記載のバイオガス生成システム。
  4. 前記外部電源は光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池である、請求項１に記載のバイオガス生成システム。
  5. 前記陰極室は前記第１電解液を攪拌する攪拌機構を有する、請求項１に記載のバイオガス生成システム。
  6. バイオガスおよび二酸化炭素還元生成物を生成する方法であって、
    （ａ） 以下を具備するバイオガス生成システムを用意する工程、
    メタン菌の作用により有機廃棄物を分解して二酸化炭素およびメタンを含有するバイオガスを発生させるための発酵槽、
    発生した前記バイオガスに含有される二酸化炭素を液体に溶解させることにより前記バイオガスに含有されるメタンを濃縮させるためのバイオガス精製装置、および
    前記液体中に溶解された二酸化炭素から、メタン、一酸化炭素およびギ酸からなる群から選択される少なくとも１種の二酸化炭素還元生成物を生成する光電気化学装置、
    を具備するバイオガス生成システムであって、
    前記光電気化学装置は、
    前記液体中に溶解された二酸化炭素を含有する第１電解液を収容するための陰極室、
    第２電解液を収容するための陽極室、
    前記陰極室と前記陽極室との間に挟まれる固体電解質膜、
    前記第１電解液に接するように前記陰極室の内部に設けられるカソード電極、
    前記第２電解液に接するように前記陽極室の内部に設けられるアノード電極、および
    前記カソード電極及び前記アノード電極に負の電圧及び正の電圧をそれぞれ印加する外部電源、

    （ｂ） 前記発酵槽に有機廃棄物およびメタン菌を投入する工程、

    （ｃ） メタン菌の作用により有機廃棄物を分解して二酸化炭素およびメタンを含有するバイオガスを発生させる工程、
    （ｄ） 発生した前記バイオガスに含有される二酸化炭素を液体中に溶解させる工程、および
    （ｅ） 前記二酸化炭素が溶解する前記液体に、前記アノード電極および前記カソード電極を介して、前記外部電源より電圧を印加することによって、前記二酸化炭素をカソード電極上で還元し、前記カソード電極の表面上で、メタン、一酸化炭素およびギ酸からなる群から選択される少なくとも１種の二酸化炭素還元生成物を得る工程。
  7. 前記カソード電極が、銅又は銅化合物から形成され、かつ、二酸化炭素還元生成物がメタンである、請求項６に記載の方法。
  8. 前記カソード電極が、金、銀、又はこれらの合金から形成され、二酸化炭素還元生成物が一酸化炭素である、請求項６に記載の方法。
  9. 前記カソード電極が、インジウム、錫、又はこれらの合金から形成され、二酸化炭素還元生成物がギ酸である、請求項６に記載の方法。
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