JP4124636B2

JP4124636B2 - 燃料電池・メタン発酵サイクルシステム

Info

Publication number: JP4124636B2
Application number: JP2002355637A
Authority: JP
Inventors: 正上柳田; 顕宏中西
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: JP2004192824A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料極の燃料として、メタン発酵槽で生成されるバイオガスを利用する燃料電池・メタン発酵サイクルシステムに関する。
【０００２】
特に、食品リサイクル法の適用事業所や大量の生ごみを処理している地方自治体施設、また、二酸化炭素の排出削減対象事業所、さらには、新エネルギーによる発電に対して発行される証書ＲＰＳ（Renewable Portfolio Standard）の取得を予定している事業所に好適な発明である。
【０００３】
【背景技術】
生ごみ等の水分を多く含む有機性廃棄物の嫌気性発酵処理（メタン発酵）は、エネルギーとして資源回収する技術が注目され、数多くの技術が提案また実用化されている。
【０００４】
しかし、通常、投入廃棄物量の約２５％が汚泥として、焼却や埋立て処分されているのが現状である。
【０００５】
また、本発明の発明性に影響を与えるものではないが、メタン発酵に関する公知技術（特許文献）として下記のようなものがある。
【０００６】
特許文献１：生成したガスを高分子膜によりメタンガスとＣＯ_２ガスに分離し、メタンガス濃度を高めるとともに、ＣＯ₂ガスはバイオガス混合して再度消化槽内に送りメタンに還元してメタンガス量の増加を図るメタン発酵方法。
【０００７】
特許文献２：メタン発酵で得られたバイオガスを用いて浸漬膜表面の洗浄と槽内の攪拌を同時に実施する浸漬型膜利用メタン発酵システム。
【０００８】
また、同じく燃料電池に関する公知技術（公知文献）として下記のようなものがある。
【０００９】
特許文献３：天然ガスを燃料とした高温型燃料電池を用いた発電プラントで、燃料電池で発生した電気にて水を電気分解し、得られた酸素にて未反応の水素を水に戻す方式の技術。
【００１０】
しかし、これらは何れも単発的な技術であり、総合的な技術的及び経済的な課題が解決されていない。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭61-178016号公報
【特許文献２】
特開2000-94000公報
【特許文献３】
特開平10-144322号公報
【００１２】
【発明の開示】
本発明は、上記にかんがみて、メタン発酵で生成したガスを利用して高効率に電気エネルギーに変換するとともに、低コストで炭酸ガスを分離・回収・利用し、しかも有機性廃棄物を可能な限りメタンガスに変換して、無汚泥化する燃料電池・メタン発酵サイクルシステムを提供することを目的とする。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、下記各構成の燃料電池・メタン発酵サイクルシステムとする。
【００１４】
メタン発酵槽と、基本的に空気極（酸素極：カソード）と燃料極（水素極：アノード）とを有する燃料電池とを備え、
メタン発酵槽で発生するバイオガスをアノードへ導入するとともに、アノードから発生する排ガス（アノード流出ガス：Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋Ｈ₂）をメタン発酵槽にリサイクルすることを特徴とする。
【００１５】
上記構成において、アノード流出ガスをＣＯ₂分離塔に導入して、一部のＣＯ₂を分離回収し、ＣＯ₂分離塔から流出する炭酸ガス又は炭酸ガスを主体とした排ガスをメタン発酵槽に導入することが望ましい。
【００１６】
上記構成において、燃料電池を低温型とする場合は、バイオガスを水素リッチにする水蒸気改質工程を経てアノードへ導入することが望ましい。
【００１７】
また、燃料電池を高温型とする場合は、バイオガスを水蒸気改質工程を経ずに直接的にアノードへ導入することが望ましい。
【００１８】
上記燃料電池を高温型とする場合において、アノード流出ガスの未反応水素を触媒燃焼により除去したアノード流出ガスをＣＯ₂分離塔に導入することが望ましい。
【００１９】
上記各構成において、メタン発酵槽の排水口にメタン菌が流出しない固液分離膜を配することが望ましい。
【００２０】
上記各構成により、本発明は、下記のような作用・効果を奏するものである。
【００２１】
生ごみなどの有機性廃棄物をメタン発酵（消化）させたバイオガスは、メタン（ＣＨ₄）と炭酸ガス（ＣＯ₂）が主成分であり、水蒸気改質することにより、水素（Ｈ₂）と炭酸ガス（ＣＯ₂）となる。バイオガスは精製後改質し燃料電池のアノード極へ供給する。水素は、カソード極の酸素と反応し、電気エネルギーへ変換されるととともに、水となって排出される。このため、アノード極の排ガスは、高濃度のＣＯ₂ガスと低濃度の未反応水素ガス（Ｈ₂）及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）であり、熱回収することによりＣＯ₂分離が容易にできる。そこで、熱回収したガスを直接メタン発酵槽へ導入することもできるし、アノード流出ガスをＣＯ₂分離塔に導入することにより、ＣＯ₂を一部分離回収するとともに、水蒸気を水として回収することもできる。
【００２２】
メタン発酵槽内に膜を設置してメタン菌の流出防止（メタン菌の蓄積）を図ることにより、有機物の分解能力が向上する。ＣＯ₂と未反応Ｈ_２を膜表面に散気することにより、膜表面洗浄と発酵槽内の攪拌及び発酵液内のＣＯ₂含有濃度を高める効果がある。
【００２３】
メタン発酵の前段で生成される脂肪酸やアルコール等、水素発酵物を介してメタン菌がＣＯ₂をメタンガスに還元する作用を活用することにより、メタン生成反応が促進され、メタンガスの増量が期待できる。
【００２４】
燃料電池による高効率発電と同時にＣＯ₂の回収・利用及び消化汚泥の発生を極限まで減少可能であり、資源化サイクルシステムの構築が可能となる。
【００２５】
【構成の詳細な説明】
以下、本発明の燃料電池・メタン発酵サイクルシステムの一例について、主として図１に基づいて説明をする。
【００２６】
本発明は、基本的に燃料電池システムとメタン発酵（嫌気性処理）システムとを結合させたものである。
【００２７】
すなわち、燃料電池システムは、燃料電池１２と、燃料電池１２の空気極（酸素極：カソード）１４に酸素を供給する空気供給配管１６と、燃料極（水素極：アノード）１８に燃料（水素含有ガス）を供給する燃料供給配管２０とを備えている。そして、空気供給配管１６は、空気供給口にブロアー２２、中間に空冷型熱交換器２４を備えている。
【００２８】
ここで、燃料電池１２は、りん酸形（ＰＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）等の低温型である。
【００２９】
また、メタン発酵システムは、メタン発酵槽２８と、メタン発酵槽２８に投入する生ごみを保管する生ごみ保管庫３０と、メタン発酵槽２８の処理水を廃棄・浄化する排水槽３２と、およびメタン発酵槽２８で発生したガスを精製・収納する精製・収納タンク３３とを備え、それらの間は、それぞれ、粉砕ポンプ（図示せず）を備えた供給配管３４、気体輸送機３５を備えたメタンガス配管３６及び、メタン発酵槽２８内に配設された水中ポンプ２９に接続された排水配管３８で接続されている。そして、水中ポンプ２９の手前には、メタン菌の流出防止を図るための固液分離膜３１が配されている。なお、精製・収納タンク３３内には、メタンガスに含まれている硫黄酸化物を始めとする不純物の精製手段が内蔵されている。
【００３０】
そして、本システムでは、さらに、燃料電池システムとメタン発酵システムとの間に炭酸ガス（ＣＯ₂）分離回収システムが介在されている。
【００３１】
炭酸ガス分離回収システムは、燃料極（アノード）１８から排出される混合ガスを冷却して一次分離をする熱交換器４０と、該熱交換器４０から流出する水蒸気含有炭酸ガス中の炭酸ガスを水蒸気から分離・回収する炭酸ガス分離塔（ＣＯ₂分離塔）４２とを備えている。該ＣＯ₂分離塔４２は、炭酸ガスタンク４４及び貯留水タンク４６とを備えている。さらに、本システムでは、ＣＯ₂分離塔４２とメタン発酵槽２８との間には、ＣＯ₂分離塔４２内から排出された炭酸ガス含有気体(Ｈ₂＋ＣＯ₂）を、気体輸送機４８を介してメタン発酵槽２８の攪拌及び槽内のＣＯ₂含有濃度を高めることを目的として炭酸ガス送気配管５０が配されている。
【００３２】
次に、上記構成のシステムの使用態様について説明をする。
【００３３】
先ず、生ごみ保管庫３０に保管されている生ごみをメタン発酵槽２８に投入して、嫌気性処理であるメタン発酵（消化法）を行う。すると、メタンガスが主成分であるバイオガス（ＣＨ₄：ＣＯ₂＝６：４）が発生する。そして、バイオガスは、改質器５４で水蒸気改質（下記反応をさせる。）することにより、水素リッチのガスとなり、熱交換器４０を経て燃料極１８に供給が可能となる。
【００３４】
ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ ₂＋ＣＯ₂
なお、天然ガスの場合も、水蒸気改質して水素とＣＯ₂にして、燃料極へ供給している。
【００３５】
そして、燃料極（アノード）１８から流出するアノード流出ガスは、水（Ｈ₂Ｏ）と炭酸ガス（ＣＯ₂）及び未反応残水素（Ｈ₂）からなり、熱交換器４０で熱回収（冷却）する一次分離工程を経て、ＣＯ ₂ 分離塔４２に流入させることにより、簡便にＣＯ₂／Ｈ₂成分と水とを分離・回収できる。
【００３６】
また、ＣＯ₂分離塔４２で、分離された未反応残水素はＣＯ₂とともに、メタン発酵槽２８の底部に投入すれば、処理は容易となる。ＣＯ₂とＨ₂とは比重差が大きいため、ＣＯ ₂分離塔４２内にある整流板等の簡単な機構で分離できる。また、このメタン発酵槽に導入（リサイクル）するＣＯ₂含有ガスを、メタン発酵槽２８の曝気／攪拌に利用すると共に、燃料電池１２の燃料として使用する場合は、含有するＨ₂濃度が高い方が燃料電池１２の発電効率が高くなるため、未反応残水素は除去する必要はない。
【００３７】
ＣＯ₂を利用する場合、液化あるいはドライアイスを製造する過程においては水素の存在は大きな問題とならない。
【００３８】
このとき、水素は空気極（酸素極：カソード）１４の酸素と反応して水となるため、燃料極１８からはＣＯ₂と水とが排出される(流出する。）。このＣＯ₂と水とは冷却することにより、簡単に分離することができる。この特性を利用して、高効率発電と同時に、ＣＯ₂を簡単に効率よく分離回収が可能となる。そして、回収したＣＯ₂は、メタン発酵槽２８内の攪拌と、メタンガス生成反応の促進ガスとして利用できる。
【００３９】
なお、図１のＣＯ₂分離塔４２において微量の水素含有が支障となる場合は、図２に示すごとく燃焼器５２を用いる（すなわち、酸素にて触媒燃焼させる）ことにより、簡単に水素を除去して高濃度のＣＯ₂が得られる（図２参照）。
【００４０】
また、高温型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を使用する場合は、図２に示すシステムとする。
【００４１】
すなわちＳＯＦＣでは、電池内部にてメタンが改質される。このため、改質器なしでメタンガスを主成分とするバイオガスを直接、燃料極１８に供給でき、燃料極から排出される排ガスを、熱回収（冷却）することにより容易にＣＯ₂／Ｈ₂成分と水とを分離・回収できる。
【００４２】
図２の機器構成は基本的に図１と同様であるため、対応図符号を付して、その違いのみについて説明をする。
【００４３】
ＳＯＦＣにおいては、排熱温度が高いので排熱回収器５６をカソード１４出口に設置して、排熱の利用を図る（温水を作り利用する等。）とともにカソード１４への供給空気を加熱することにより熱効率を高める。アノード１８出口からのガスは燃焼器５２を通過させてＨ₂を除去した後、二次空冷型熱交換器４０によりアノード１８への供給ガスを加熱して熱回収を図る。さらに、一次空冷型熱交換器４０Ａによりカソード１４への供給空気をさらに加熱することにより再度熱回収を行う。炭酸ガス送気配管５０によりメタン発酵槽２８に送られるガスは、燃焼器５２を介しているためＣＯ₂のみとなる。
【００４４】
天然ガスは、メタンが略１００％であるが、嫌気性発酵で得られるバイオガスの場合、ＣＨ₄：ＣＯ₂＝６：４である。メタンを水蒸気改質すると、水素とＣＯ₂とのモル比は、前述の如く４：１となる。したがって、ＣＯ₂の回収量からみると、バイオガスの場合、天然ガスに比して、１．５倍以上のＣＯ₂の回収が可能となる。
【００４５】
固形の難溶性有機物は、先ず、加水分解菌（hydrolytic bacteria）にて、高分子有機物が溶解性有機物となり、発酵菌（fermentative bacteria)にて低分子の中間生成物であるアルコールや有機酸に変わり、溶解性となる。その後、酢酸菌（Acetogenic bacteria)やメタン菌（Methanogenic bacteria）によりＣＯ₂とメタンガスに分解される。
【００４６】
また、嫌気性発酵するメタン菌には、脂肪酸（有機酸）やアルコールが存在する環境下においてＣＯ₂を分解しメタンガスに還元する作用があると言われている。
【００４７】
メタン発酵槽１８内には固液分離機構がある膜（微生物を含む有機物などの固形物を通さないろ過膜）３１を設置した場合、回収したＣＯ₂を膜表面に散気・バブリングして、上昇流にて膜表面の洗浄と滞留による槽内の攪拌および消化液中に混入させるに際して、有用なメタン菌の流出を膜にて防止することによりメタン菌の濃縮ができる。このため、有機物を徹底的に分解するとともに、ＣＯ₂を分解してメタンガスに積極的に還元させることにより、メタンガスの生成反応が促進されて、メタンガス量の大幅な増加が期待できる。
【００４８】
また、固液分離膜３１から排出された排水は、固形物が含まれていないため、環境負荷が小さく、簡易な排水槽（水処理装置）３２で処理が可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の効果を再度まとめると下記の如くになる。
【００５０】
▲１▼燃料電池の排ガスをメタン発酵槽に設置した浸漬膜の下部から散気することにより、上昇流による膜表面の洗浄と発酵槽内の攪拌ができる。
【００５１】
▲２▼燃料電池の排ガスは、高濃度のＣＯ₂と未反応の水素であり、消化液へのＣＯ₂溶け込みによる酸発酵生成物（アルコールや脂肪酸とメタン菌によるＣＯ₂分解）が還元されて、メタンガスへの転換が促進され、メタンガスの増量が期待できる。
【００５２】
未反応の水素は、そのまま燃料電池に供給されるため、１００％ＣＯ₂ガスに比して、可燃成分が多く、燃料電池の高性能を維持できる。
【００５３】
浸漬膜の固液分離機能によりメタン菌の流出防止が図れ、有機物の効果的に分解できるため、排出される汚泥を大幅に低減できる。
【００５４】
高温型燃料電池では、電池内部にてメタンの改質が行われるため、消化ガスはそのまま燃料電池のアノード極へ供給でき、水素とＣＯ₂となる。そして、水素は、カソード極の酸素と反応して、電気エネルギーに変換されるとともに水となって排出される。このため、排ガスは高濃度のＣＯ₂ガスと低濃度の未反応残水素ガスおよび水蒸気で構成されたものとなる。
【００５５】
燃料電池の排ガスの反応残水素に補助燃料を加えＯ₂にて燃焼させ、ガスタービンにて発電後、熱エネルギーとして回収すると共に、ＣＯ₂と水の分離回収も可能である。
【００５６】
生ごみ等の有機性廃棄物をメタン発酵槽内にてメタン菌が流出しないような浸透膜によりメタン菌を蓄積すると共に、水素発酵物とメタン菌によるＣＯ₂をメタンガスに還元する作用を複合的に活用することにより、有機物を徹底的に分解し、メタン生成反応を促進させて、メタンガスの増量を行う。したがって、きわめて環境負荷の少ない高温形の燃料電池による高効率発電とＣＯ₂の回収／利用及び消化汚泥の発生を極限まで減少可能なサイクルシステムの構築が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低温型燃料電池を用いる場合のサイクルシステムの一例を示す概略流れ図。
【図２】同じく高温型燃料電池を用いる場合の変形例を示す概略流れ図
【符号の説明】
１２、１２Ａ・・・燃料電池
１４・・・空気極（酸素極：カソード）
１８・・・燃料極（水素極：アノード）
２０・・・燃料供給配管
２８・・・メタン発酵槽（消化槽）
４０・・・熱交換器
４２・・・ＣＯ₂分離塔
５０・・・炭酸ガス送気配管

Claims

メタン発酵槽と、基本的に空気極（酸素極：カソード）と燃料極（水素極：アノード）とを有する燃料電池とを備え、
前記メタン発酵槽で発生するバイオガス（生成ガス）を前記アノードへ導入するとともに、前記アノードからの流出するガス（以下「アノード流出ガス」）を前記メタン発酵槽にリサイクルすることを特徴とする燃料電池・メタン発酵サイクルシステム。
アノード流出ガスを炭酸ガス分離塔（ＣＯ₂分離塔）に導入して、一部のＣＯ₂を分離回収し、前記ＣＯ₂分離塔から流出するＣＯ ₂又はＣＯ ₂を主体とした排ガスをメタン発酵槽に導入することを特徴とする請求項１記載の燃料電池・メタン発酵サイクルシステム。
前記燃料電池が低温型であるとともに、前記バイオガスを水蒸気改質工程を経て前記アノードへ導入することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池・メタン発酵サイクルシステム。
前記燃料電池が高温型であるとともに、前記バイオガスを水蒸気改質工程を経ずに直接的に前記アノードへ導入することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池・メタン発酵サイクルシステム。
前記アノード流出ガスの未反応水素を触媒燃焼により除去したアノード流出ガスを炭酸ガス分離塔に導入することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池・メタン発酵サイクルシステム。
前記メタン発酵槽の排水口にメタン菌が流出しない固液分離膜を配することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池・メタン発酵サイクルシステム。