JP2022145374A

JP2022145374A - 木質バイオマスを燃料とする固体電解質燃料電池

Info

Publication number: JP2022145374A
Application number: JP2021079347A
Authority: JP
Inventors: 信夫中田; Nobuo Nakada; 靖男井崎; Yasuo Izaki
Original assignee: Nihon Environment Energy Lab Co Ltd
Current assignee: Nihon Environment Energy Lab Co Ltd
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-10-04

Abstract

【課題】木質バイオマスを燃料とする固体電解質燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極から排出される６００～７００℃のオフガスを木質バイオマスの炭化炉に投入し、木質バイオマスを揮発分と水分と炭化物に熱分解し、上部にガス改質室、下部に炭化物燃焼器室を備えたガス化炉の下部の炭化物燃焼器室に炭化物と燃焼器室用酸素を投入し、高温の一酸化炭素と二酸化炭素に変換し、ガス改質室で、炭化炉の揮発分と水分とガス改質室用酸素により、水素と一酸化炭素を主成分とする可燃性ガスと水蒸気と二酸化炭素からなる９５０～１１００℃の合成ガスを得た後、冷却し、水蒸気を凝縮させ、残留ガスの湿度を７０～８０％に加湿した後、促進輸送型二酸化炭素分離膜により、合成ガス中の二酸化炭素の８５％以上を分離し、残留した二酸化炭素と水素と一酸化炭素と水蒸気を主成分とする可燃性ガスを昇圧加温して、固体電解質燃料電池の燃料極に導く固体電解質燃料電池。【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池に関する。

固体酸化物燃料電池の高効率化を図るため、高温作動形燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを再利用することが検討されている。例えば、固体酸化物形燃料電池における燃料極オフガス中の水蒸気又は二酸化炭素を除去し、そのガスを再利用することで、システム全体の燃料利用率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

都市ガスを燃料とする５ｋＷ固体電解質燃料電池は１段目燃料極オフガスより、二酸化炭素または水蒸気を除去する燃料再生器により、２段目燃料極に残存燃料を投入することにより発電端効率６５％を実現している。（非特許文献１参照）。

固体酸化物燃料電池燃料極オフガスを再利用するために、燃料ガスとオフガスをエジェクタで混合する技術が提案されている。（例えば、特許文献２参照）

木質バイオマスを燃料とする２，０００ｋＷ未満の小規模発電システムでは、木質チップまたは木質ペレットを熱分解でガス化し、ガスエンジンで２０～３０％の発電端効率がえられる。（非特許文献２参照）。

前記ガスエンジンの排気ガスを木質バイオマスの炭化炉の熱源として、炭化物と可燃性ガスを得て、後段のガス化炉に空気を吹き込む「炭化ガス化発電システム」により３２０ｋＷガスエンジン発電機で発電端効率２３％が得られたとの研究報告がある。（非特許文献３）

廃プラスチックに酸素と水蒸気を吹き込む流動床炉で部分酸化した可燃性ガスとチャーに酸素を吹き込むガス化炉から合成ガス（水素と一酸化炭素）を得てアンモニアを合成するシステムが稼働している。（非特許文献４）

５０ＭＷバイオマス発電所の排ガス中の日量１，０００トンの二酸化炭素の５０％以上をアミン液による化学吸収と再加熱による二酸化炭素分離回収実証試験が実施されている。（非特許文献５）

一般廃棄物のメタン発酵によるメタンガス６０％、二酸化炭素４０％からなるバイオガスから促進輸送型二酸化炭素分離膜により二酸化炭素を分離する実証実験が実施され、バイオガスに４０％含まれていた二酸化炭素のうち、３４％が分離できた。（非特許文献６）

特開２００６－３１９８９号公報特開２０２０－１５３２５２号公報

東京ガス（株），「燃料電池の発電効率を６５％相当まで高める高効率化技術を開発～世界で初・５ｋＷ級の小出力において発電効率６５％を実証～」，２０１７年５月ニュースリリース一般社団法人日本バイオマス木質エネルギー協会，「小規模木質バイオマス発電をお考えの方へ導入ハンドブック」，平成２７年度林野庁補助事業「木質バイオマス利用支援体制構築事業」パンフレット財団法人電力中央研究所・関西電力（株），「高効率炭化ガス化ガスエンジン発電システムの開発～バイオマスを用いた中小規模発電システムで世界最高レベルの発電効率２３％を達成～」，２００７年５月プレスリリース昭和電工（株）ほか，「廃プラスチックのガス化ケミカルリサイクル推進にむけた協業を開始」，２０１９年８月ニュースリリース東芝エネルギーシステムズ株式会社・みずほ情報総研株式会社，「環境配慮型ＣＣＳ実証事業ー分離回収技術についてー」，２０２０年８月環境省ＣＣＵＳの早期社会実装会議（第２回）配布資料３－１（株）タクマ・（株）ルネッサンス・エナジー・リサーチ、南但広域行政事務組合、平成３０年度環境省委託業務「ＣＯ２分離膜を適用した次世代低炭素型高効率バイオガス発電システム及びコンバインドシステム成果報告書」，２０１９年３月

従来の小型バイオマスガス化発電では、部分酸化のガス化剤には空気が用いられ、ガスエンジン排気から二酸化炭素を回収することは行われていなかった。

５０ＭＷバイオマス発電所の排ガス中の日量１，０００トンの二酸化炭素の５０％以上をアミン液による化学吸収と再加熱により二酸化炭素分離回収する実証試験の二酸化炭素回収率は８５％程度で、なおかつ、多量の蒸気を再加熱に使用することに加え、二酸化炭素回収後の排ガスに微量のアミンが残留するという課題がある。

メタン発酵由来の二酸化炭素と太陽光発電による水電解水素をサバティエ反応（ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ）によるメタネーション技術としてグリーンメタン１，０００トン／年の規模のプラントがドイツで実用化されている。グリーンメタンは都市ガスやプラススチックの原料にすることにより有力なカーボンリサイクルの手段として期待されている。太陽光発電や風力発電による水電解水素製造では、２モルの水素に対して１モルの酸素が副生するが、副生酸素活用による地域振興が課題とされている。

本発明は小規模木質バイオマス発電で用いられるガス化発電をガスエンジンから高効率な固体電解質燃料電池に代替し、なおかつ、燃料電池オフガスから高効率に二酸化炭素を回収するシステムを提供することにある。

切削チップなどの木質バイオマスをアップドラフト式炭化炉において、高温の固体酸化物燃料電池燃料極のオフガスを炭化炉に供給することにより、炭化物と水蒸気と二酸化炭素を含む可燃性ガスをえる。

炭化炉後段に、ガス化炉を設け、炭化物と純酸素により炭素分を酸化する燃焼部と、燃焼部で発生した一酸化炭素と二酸化炭素と炭化炉からの可燃性ガスと純酸素により、高分子量の炭化水素を低分子量の水素と一酸化炭素と燃焼物である水蒸気と二酸化炭素に変換する改質部を設けて、１，１００℃程度の合成ガスをえる。

合成ガスを冷却器により水蒸気を凝縮させる。合成ガスの温度は促進輸送型二酸化炭素分離膜が使用可能となる１１０℃程度までさげられており、二酸化炭素分離膜の必要とする湿度まで加湿することにより、二酸化炭素を二酸化炭素分離膜の原料側（高圧側）から透過側（低圧側）に移動させる。原料側（高圧側）の残存二酸化炭素と水蒸気と可燃性ガスからなる燃料ガスを昇圧加温し、固体酸化物燃料電池燃料極に供給する。

燃料極には一酸化炭素、水素が供給され、酸素イオンが空気極から電解質を経由して燃料極に移動し、燃料極から空気極に電子が供給されることにより発電がおこなわれる。

固体酸化物燃料電池燃料極オフガスは炭化炉、ガス化炉、冷却器、二酸化炭素分離膜を経て、合成ガスから水蒸気、二酸化炭素を取り除くことにより可燃性ガスの濃度を高めることで、固体電解質燃料電池の燃料再循環を達成する。

地球温暖化対策のため、二酸化炭素を排出しない水素やアンモニアを燃料として使用することが必要となるが、都市ガス配管に水素やアンモニアを入れることは現実的ではなく、水素と二酸化炭素をサバティエ反応により生成するメタンを使用することが考えられる。メタンの原料は化石燃料燃焼後に回収された二酸化炭素ではなく、メタン発酵やエタノール発酵の副生品である二酸化炭素またはバイオマスを燃焼させたカーボンニュートラルな二酸化炭素を使用することが望まれている。本発明により木質バイオマスエネルギー二酸化炭素回収が可能となり、風力発電または太陽光発電による水電解水素と合成したメタンは水素も二酸化炭素も非化石燃料由来のグリーンメタンである。グリーンメタンは都市ガス原料として使用されるだけでなく、プラスチックの原料とすることもできる。

従来の小型バイオマスガス化発電では、空気分離のよる酸素製造が必要となる酸素吹きは高カロリーガスが得られる反面、コスト高となるので、実施されることはなかった。発電以外に二酸化炭素回収を目的とする小型バイオマスエネルギー利用では、窒素分が含まれない酸素吹ガス化炉が有利であり、回収した二酸化炭素と風力発電または太陽光発電による水電解水素によるグリーンメタン製造が行われ、水電解の副生酸素をガス化炉ガス化剤に使用することは地域産業創出に寄与する。

日本国土の７０％を占める中山間地域での主要な資源である木質バイオマスは燃料とすることを古くからおこなわれていた。薪の用途であった調理・給湯・暖房には、化石燃料使用やエアコン・ヒートポンプ給湯器に置き換わっており、木質バイオマスを熱電併給用燃料とするより、高効率発電や二酸化炭素回収する必要性が高まっており、本発明は、従来の木質バイオマス小型ガス化発電の発電端効率２０～３０％を大幅に上回る４５％以上が期待でき、なおかつ、カーボンニュートラルな二酸化炭素回収にも寄与している。

地域活用電源はバイオマス・小規模地熱・小水力を中心に、地域に根ざした電源として活用されることで、資源・エネルギーの地産地消、地域のレジリエンス強化、地域活性化に資する案件が生まれてきている。固定価格買い取り制度が終焉するなかで、１ＭＷ程度の地産地消の木質バイオマス電源を固定価格買い取り制度電源として存続させることに国民的合意が得られることは自明であり、本発明の固体電解質燃料電池発電は中核発電機器として資源循環共生圏の構築に寄与できる。

実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
ここであげる数値は１例であり、これにかぎるものではない。

第１図に従い、木質バイオマスである木質チップ（４）を燃料とする固体電解質燃料電池システム（１）を説明する。

水分１５％の乾燥木質チップ（４）６００ｋｇ／ｈをアップドラフト式炭化炉（５）に投入し、固体電解質燃料電池燃料極（２）からでた未燃水素、未燃一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素からなる燃料極オフガス（３）により、７００℃で熱分解すると、繊維状の炭化物（６）と可燃性ガス（７）がえられる。

上記オフガスには可燃分が含まれているので、膨張タービンで動力回収後、純酸素ダクトバーナーで７００℃に昇温するあるいは炭化炉に純酸素を供給することにより７００℃に昇温する。

炭化物はガス化炉（８）のガス化炉下部燃焼部（９）で、下部燃焼部酸素（１１）投入により部分燃焼し、二酸化炭素と一酸化炭素の高温ガスに転換され、ガス化炉（８）の上部改質部（１０）に導かれる。

ガス化炉上部改質部（１０）には、炭化炉（５）からの可燃性ガス（７）と上部改質部酸素（１２）が投入され、１，１００℃の水素、一酸化炭素、少量のメタンの可燃性ガスと水蒸気、二酸化炭素の合成ガス（１３）がえられる。純酸素であれば、空気よりも冷ガス効率もより高くなるので、本発明の乾燥木質チップ、固体電解質燃料電池燃料極オフガス、炭化炉、ガス化炉、純酸素からなるシステムで得られる冷ガス効率は７５％以上となる。

１，１００℃の水素、一酸化炭素、少量のメタンの可燃性ガスと水蒸気、二酸化炭素の合成ガスを冷却器（１４）で冷却すると、液体の凝縮水（１６）と可燃性ガスと二酸化炭素からなる合成ガスが得られる。

水蒸気分を取り除いても、二酸化炭素が多くふくまれているので、燃料電池の燃料とするには二酸化炭素を除去する必要がある。促進輸送型二酸化炭素分離膜（１７）を用い、分離膜透過側（低圧部）に二酸化炭素分の８５％が移動し濃度９９％のカーボンフリー二酸化炭素（１９）が得られる。分離膜原料側（高圧圧部）には残存二酸化炭素と濃縮可燃性ガスからなる燃料ガス（１８）が得られる。促進輸送型二酸化炭素分離膜を効率良く動作させるためには燃料ガス（１８）湿度を加湿加温器（１５）にて１１０℃湿度７０％に調整する必要がある。ある程度の水蒸気、二酸化炭素は燃料極での炭素析出防止に必要である。

０．７ｋＷ家庭用固体電解質燃料電池では、燃料極出口において、可燃分の３０％が残存しており、後段のアフターバーナーで燃やして熱回収しているが、本発明では、燃料極オフガス（３）の可燃分は炭化炉、ガス化炉を通過して一巡しているので、アフターバーナーでオフガスを燃焼させる必要がない。燃料極（３）の水素と一酸化炭素に空気極（２１）から固体電解質（２０）を通じて酸素イオンが移動することにより電子が移動し発電（２２）ができる。本発明では燃料の未燃分が再循環しているので二酸化炭素交流発電端効率６０％を達成できる。

水分１５％の乾燥木質チップ（４）の低位発熱量を１３．６ＭＪ／ｋｇ，木質チップ投入量を６００ｋｇ／ｈとすると、本システムへの入熱は２，２６７ｋＷとなり、冷ガス効率７５％から、燃料電池への入熱は１，７００ｋＷとなり、固体電解質燃料電池交流発電端効率を６０％とすると、発電端電力は１，０２０ｋＷ、発電端効率４５％が得られる。従来の小型木質バイオマスガス化発電の発電端効率２０～３０％は２，２６７ｋＷの乾燥木質チップ入熱に対して５２０～６８０ｋＷの発電端出力しか得られないのに対して２倍近い大幅な出力増が得られる。

二酸化炭素分離膜で分離される二酸化炭素量は、木質チッブ炭素分がすべて酸化されるため、木質チップ絶乾重量５１０ｋｇ／ｈ、炭素分４４Ｗ％に二酸化炭素換算３．６７を乗じると、８２４ｋｇ／ｈの二酸化炭素が得られる。サバティエ反応では、３モルの水素と１モルの二酸化炭素から１モルのメタンが得られるので、８２４ｋｇ／ｈの二酸化炭素から、８２４／４４ｘ１６＝３００ｋｇ／ｈのメタンが得られる。このサバティエ反応で必要な水素は８２４／４４ｘ６＝１１２ｋｇ／ｈ（１，２５４ｍ３／ｈ）で、アルカリ電解法の原単位を４．２ｋＷｈ／Ｎｍ３－Ｈ２とすると必要電力は５，２６７ｋＷとなる。水の電気分解は水素２モルに対して、酸素１モルであり、水素１１２ｋｇ／ｈに対して副生酸素量は、８９６ｋｇ／ｈである。本実施例でのガス化炉での酸素比を０．５とすると、必要酸素量は３０２ｋｇ／ｈであり、副生酸素量の約１／３となる。

固体電解質燃料電池の運転圧力は０．５～０．８ＭＰａ（Ａ）にあり、燃料電池と常圧の炭化炉の間には圧力差があり、膨張タービンにより、動力回収し、回収動力は二酸化炭素分離膜透過側（低圧側）の濃縮可燃性ガスの昇圧に用いることがプラント所内動力の低減に寄与する。動力回収には、同軸に圧縮機、膨張タービン、永久磁石式同期電動発電機を接続した構成を用いると良い。

以上説明したように、本発明は、小規模木質バイオマス発電で用いられるガス化発電をガスエンジンから高効率な固体電解質燃料電池に代替し、なおかつ、燃料電池オフガスから高効率に二酸化炭素を回収するシステムを提供することにある。中山間地の主要な資源である木質バイオマスから高効率発電を行い、なおかつカーボンフリー二酸化炭素を９９％回収できる。

１固体電解質燃料電池システム
２燃料極
３燃料極オフガス
４木質チップ
５アップドラフト式炭化炉
６炭化物
７可燃性ガス
８ガス化炉
９ガス化炉下部燃焼部
１０ガス化炉上部改質部
１１下部燃焼部酸素
１２改質部酸素
１３合成ガス
１４冷却器
１５凝縮水
１６加温加湿器
１７促進輸送型二酸化炭素分離膜
１８燃料ガス
１９カーボンニュートラル二酸化炭素
２０電解質
２１空気極
２２発電

Claims

固体電解質燃料電池燃料極から排出される６００～７００℃のオフガスを木質バイオマスのアップドラフト式炭化炉に投入し、木質バイオマスを揮発分と水分と炭化物に熱分解し、上部にガス改質室、下部に炭化物燃焼器室を備えたガス化炉の下部の炭化物燃焼器室に炭化物と燃焼器室用酸素を投入し、高温の一酸化炭素と二酸化炭素に変換し、上部のガス改質室で、前記炭化炉の揮発分と水分とガス改質室用酸素により、水素と一酸化炭素を主成分とする可燃性ガスと水蒸気と二酸化炭素からなる９５０～１１００℃の合成ガスを得た後、合成ガスを冷却することにより、水蒸気を凝縮させ、残留ガスの湿度を７０～８０％に加湿した後、促進輸送型二酸化炭素分離膜により、合成ガス中の二酸化炭素の８５％以上を分離し、分離されずに残留した二酸化炭素と水素と一酸化炭素と水蒸気を主成分とする可燃性ガスを昇圧加温して、前記固体電解質燃料電池の燃料極に導くことを特徴とする木質バイオマスを燃料とする固体電解質燃料電池。