JP4605992B2 - Fuel cell power generation process and fuel cell system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電プロセスに関し、詳細には、有機性廃棄物等のメタン発酵処理や熱分解処理の過程で生成する成分を燃料として効率的に電力を発生させ得る燃料電池発電プロセス、および燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
畜産廃棄物や生ごみなどの有機性廃棄物の処理には、メタン発酵法が広く採用されている。メタン発酵処理では、嫌気性微生物の代謝により産生されるメタンを主成分とするバイオガスを回収し、リサイクルエネルギーとして活用することが可能である。また、メタン発酵以外では、有機性廃棄物を嫌気的条件の下で熱分解を行う処理も行われており、この方法でもメタンを多量に含む熱分解ガスを得ることができる。
【0003】
メタン発酵によるバイオガスや熱分解による熱分解ガス(本発明では、これらを「メタン含有ガス」総称することがある)のエネルギー源としての利用は、燃料電池、マイクロガスタービン、ガスエンジンなど種々の方法が想定されており、これらの中でも燃料電池はクリーンな発電設備として注目されている。メタン含有ガス中には、主成分として水素原子を多く含むメタンが約60重量%程度含まれるため、このメタンから水素を取り出すことにより効率の良い発電が可能であり、これまでにいくつかの提案がされている(例えば、特許文献1〜3参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−149933号公報
【特許文献2】
特開2000−167523号公報
【特許文献3】
特開2002−45832号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池発電プロセスの問題点は、現実にはプロセス効率があまり良好でないため、エネルギー効率的にはメタンガスの直接利用(例えばマイクロガスタービンによるコージェネレーションなど)に及ばないところにある。また、コストの低減も実用化の重要な課題となっている。
【0006】
メタン含有ガスを燃料電池に利用する場合の別の問題として、通常バイオガスなどのメタン含有ガス中には、不可避的に数千ppm程度の硫化水素が存在するため、これをそのまま燃料電池へ供給すると燃料電池の電極として使用される白金系等の触媒に対する触媒毒として作用し、燃料電池の性能を低下させるという問題がある。従って、メタン含有ガスを燃料電池に利用するためには中間に脱硫設備を設けなければならない。
【0007】
本発明の課題は、有機性廃棄物をメタン発酵処理や熱分解処理して得られるメタン含有ガスを効率よく電気エネルギーに転換できる燃料電池発電プロセスを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載の燃料電池発電プロセスの発明は、有機性廃棄物を嫌気的条件で発酵および/または熱分解して得られる、メタンを主成分とし、アンモニアおよび/または硫化水素を含有するガスを回収するメタン含有ガス生成工程と、前記アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解工程と、前記水素を燃料として燃料電池により発電を行う発電工程と、を含むことを特徴とする。
【0009】
この燃料電池発電プロセスでは、有機性廃棄物を嫌気的に発酵または熱分解して得られるメタン含有ガス中のアンモニアおよび/または硫化水素を分解して水素を生成させ、これを燃料にして燃料電池により発電を行うようにしたため、メタン含有ガスに含まれる水素源を最大限有効活用することが可能になる。
【0010】
また、触媒毒となる硫化水素は分解工程で除去されて水素のみが燃料電池に供給されるため、発電効率の低下を招くおそれもない。つまり、水素生成のための分解工程自体が脱硫作用を持つため、燃料電池発電プロセスにおいて従来のような脱硫工程を必須としないというメリットがある。
【0011】
なお、メタン含有ガス中の主成分であるメタンは、改質後燃料電池で利用することが可能であるほか、ガスタービン、ガスエンジンなどの燃料として利用することもできる。
【0012】
請求項2に記載の燃料電池発電プロセスの発明は、請求項1において、前記メタンを分解して水素を生成させる改質工程を含み、前記発電工程では、前記改質工程および前記分解工程で得られる水素を燃料として利用することを特徴とする。
【0013】
この特徴によれば、メタンを改質して得られる水素を燃料電池に供給することによって、メタンからの水素にアンモニアおよび/または硫化水素からの水素にメタンからの水素を上乗せすることが可能になり、燃料電池の発電量を増加させることができる。
【0014】
請求項3に記載の燃料電池発電プロセスの発明は、請求項1または請求項2において、前記発酵により生成する発酵液にアルカリを添加してアンモニアを取り出すアンモニア回収工程を含み、該アンモニア回収工程で得られたアンモニアを前記分解工程で処理し、得られる水素を発電工程で利用することを特徴とする。
【0015】
嫌気的条件で有機性廃棄物を発酵させた後の発酵液(発酵残渣)中には、大量のアンモニアが含まれているため、これを水素源として燃料電池に導入し発電を行うことによって、発電量を大幅に増加させることが可能になる。
【0016】
請求項4に記載の燃料電池発電プロセスの発明は、請求項1から請求項3のいずれか1項において、前記燃料電池が、りん酸塩型燃料電池または固体高分子膜型燃料電池であることを特徴とする。りん酸塩型燃料電池または固体高分子膜型燃料電池は、200℃以下の比較的低温で反応が進行するため、硫化水素等による触媒の被毒が起こり易いが、硫化水素やアンモニアを予め分解して水素として供給する本発明プロセスによれば、被毒の心配がほとんどない。
【0017】
請求項5に記載のメタン発酵液燃料電池発電プロセスの発明は、有機性廃棄物を嫌気的条件で発酵するメタン発酵工程と、前記メタン発酵過程で得られる発酵液にアルカリを添加してアンモニアを取り出すアンモニア回収工程と、前記アンモニアを分解し水素を生成させるアンモニア分解工程と、前記水素を燃料として燃料電池により発電を行う発電工程と、を含むことを特徴とする。このメタン発酵液燃料電池発電プロセスによれば、嫌気的条件で有機性廃棄物をメタン発酵させた後の発酵液(発酵残渣)中には、大量のアンモニアが含まれているため、これを水素源として燃料電池に導入し、発電を行うことによって、発電量を大幅に増加させることが可能になる。
【0018】
請求項6に記載の燃料電池システムの発明は、有機性廃棄物を嫌気的条件で発酵するとともに、生成したメタンを主成分とし、アンモニアおよび/または硫化水素を含有するバイオガスを回収するメタン発酵装置と、前記メタンを分解して水素を生成させる改質装置と、前記アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解装置と、前記改質装置および前記分解装置により生成した水素を燃料として燃料電池により発電を行う発電装置と、を含むことを特徴とする。
【0019】
この特徴によれば、アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解装置を備えたため、この分解装置で分解生成した水素も含めて発電装置である燃料電池に供給することが可能になる。よって、従来型の燃料電池システムよりも大きな発電量を得ることができるとともに、燃料電池の電極反応を妨害する要因となる触媒の被毒を回避することができる。
【0020】
請求項7に記載の燃料電池システムの発明は、有機性廃棄物を嫌気的条件で熱分解するとともに、生成したメタンを主成分とし、アンモニアおよび/または硫化水素を含有する熱分解ガスを回収する熱分解装置と、前記熱分解ガスを分解して水素を生成させる改質装置と、前記アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解装置と、前記改質装置および前記分解装置により生成した水素を燃料として燃料電池により発電を行う発電装置と、を含むことを特徴とする。この特徴によれば、アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解装置を備えたため、この分解装置で分解生成した水素も含めて発電装置である燃料電池に供給することが可能になる。よって、従来型の燃料電池システムよりも大きな発電量を得ることができるとともに、燃料電池の電極反応を妨害する要因となる触媒の被毒を回避することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池発電プロセスは、有機性廃棄物を嫌気的条件で発酵および/または熱分解して得られる、メタンを主成分とし、アンモニアおよび/または硫化水素を含有するガスを回収するメタン含有ガス生成工程と、アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解工程と、水素を燃料として燃料電池により発電を行う発電工程と、を行うことにより実施される。好ましくは、さらにメタンを分解して水素を生成させる改質工程を行い、発電工程において改質工程および分解工程で得られる水素を燃料として利用することができる。
【0022】
本発明において有機性廃棄物とは、例えば、畜産廃棄物や緑濃廃棄物、排水処理汚泥などが挙げられる。ここで畜産廃棄物としては、家畜の糞尿や、屠体および/またはその加工品が挙げられ、より具体的には牛、羊、山羊、ニワトリ等の家畜の屠体、そこから分離された骨、肉、脂肪、内蔵、血液、脳、眼球、皮、蹄、角などのほか、例えば肉骨粉、肉粉、骨粉、血粉などに代表される、家畜屠体の骨、肉等を破砕した破砕物や、血液などを乾燥した乾燥物も含まれる。また緑濃廃棄物には、家庭の生ごみのほか、産業廃棄物生ごみとして、農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等が含まれる。
【0023】
本発明では、原料となる有機性廃棄物の状態により、必要に応じて前処理として破砕・分別工程を実施することができる。破砕・分別工程は、例えば、以下に示すような分別破砕、あるいは全量破砕により行うことができる。
分別破砕の場合は、破砕分別機を用い、有機性廃棄物の中で容易に破砕可能な部位を液と共にスラリーとして回収する。一方、破砕しにくい部位は塊状物として別途収集する。スラリーの含水率は、70〜90重量%、塊状物の含水率は40〜60重量%程度である。破砕分別機は、有機性の固形物をせん断力、引っ張り力によって破砕するもので、カッター部分は2軸式または3軸式のものが利用できる。牛などの動物屠体を原料とする場合は、3軸式で破砕処理する方が破砕の細かさや均一性の観点から好ましい。
【0024】
選別除去すべき混入プラスチック類、シート類などは、メッシュによる選別、風選(風力による選別)などで除去することができる。
【0025】
また、全量粉砕の場合は、例えばディスポーザー等の破砕機を使用して全対象物を破砕する。含水率は、一例として60〜70重量%であるが、加工品の場合は広い範囲をとる。
【0026】
<メタン含有ガス生成工程>
本発明の燃料電池発電プロセスにおいて、メタン含有ガスを回収するメタン含有ガス生成工程は、例えば、メタン発酵、熱分解等により行われる。
【0027】
メタン発酵:
メタン発酵は、いわゆる中温型、高温型、またスラリー(湿式)型、ドライ(乾式)型のいずれのタイプでも適用可能である。
【0028】
発酵槽は、絶対嫌気性のメタン発酵菌による活動を維持するために、二槽方式をとる発酵プロセスの場合も後段においては、空気を完全に遮断したタンクにより構成される。発酵槽は固形物濃度(通常7重量%〜40重量%の範囲)と発酵温度(通常、中温発酵では37℃、高温発酵では55℃)によって、形状や運転条件が異なってくる。特に本発明においては、洗浄廃水が混合したりして高含水率になった原料(固形物濃度10重量%まで)の場合は湿式型の完全混合方式の発酵槽、低含水率の原料(固形物濃度30〜40重量%)の場合は、いわゆる乾式型のプラグフロー式(押出し式)の発酵槽を用いることが好ましい。
【0029】
発酵槽には、生成するバイオガスを回収するための回収手段のほか、必要に応じて保温のための加熱手段を設けておくことが好ましい。また、バイオガスの回収手段には、必要に応じて脱硫装置を設けることもできる。これらは既知の構成のものを利用できる。
【0030】
高含水率の原料(固形物濃度を10重量%程度まで)の場合は、完全混合方式の発酵槽を用い、高温メタン発酵菌(至適温度55℃)では、滞留時間(Retention Time)を10日間程度、中温メタン発酵菌(至適温度37℃)では、滞留時間を15〜20日間程度と通常のメタン発酵の所要日数より短くすることが可能である。本発明においては、通常の嫌気消化処理と異なり、メタンの回収を目的としてメタン発酵を行うため、メタン発酵による分解処理を完結させるまで行う必要はない。なお、一般のメタン発酵においては、高温発酵で15日間程度、中温発酵で20〜30日間程度の滞留時間をとっている。
【0031】
低含水率の原料(固形物濃度30〜40重量%)の場合は、被処理物の固形分濃度を30〜40重量%にして押出し式の発酵槽を使用できる程度の固さに調整する。滞留時間については、高含水率の場合と同様に設定することができる。また、必要な場合は炭素/窒素比の調整のために、若干の有機成分を導入することもできる。
【0032】
メタン発酵工程の主目的は、エネルギー源となるバイオガスの回収にある。メタン発酵後に必要に応じて発酵液の固液分離工程を設けることができる。後に続く炭化工程のエネルギー消費を抑える上では、固液分離を行い初発水分量を減じておくことが好ましい。
【0033】
固液分離は、例えばデカンター、凝集沈殿槽、遠心脱水機、スクリュープレス、膜分離器など、スラリー濃度を高めることが可能な装置を利用可能であり、発酵液の性状に応じて選択される。また、上記以外に蒸発法による固液分離方法も可能であり、この場合はメタン発酵により産生するバイオガスを蒸発のためのエネルギー源として使用することができる。
【0034】
熱分解:
熱分解は、空気を遮断した条件で所定温度まで有機性廃棄物や前記メタン発酵後の発酵物等を加熱して炭化させるものである。熱分解工程に使用する装置としては、例えばロータリーキルン式、スクリューコンベア式、重力落下式、バッチ固定床式などの外気を遮断できる乾燥・炭化装置が挙げられる。比較的低温(450〜500℃)で乾燥・炭化を行う場合は、いずれの方式のものでも使用できるが、800℃以上の高温で乾燥・炭化を行う場合、ロータリーキルン方式、スクリューコンベア方式など機械的要素の大きい乾燥・炭化装置では耐熱性の材質を選定することが重要になる。800℃〜850℃での炭化処理では、有機性廃棄物からの可燃ガス回収率の向上を図ることができる。
【0035】
熱分解工程では、有機物の熱分解に伴い大量のメタン含有ガスが生成する。この熱分解ガスは、回収して燃料電池に供給されるほか、熱分解工程における熱源として利用することが可能である。
【0036】
<分解工程>
メタン発酵や熱分解により生成するメタン含有ガスは、有機性廃棄物の種類により異なるが、通例メタンを60重量%程度、二酸化炭素を40重量%程度含んでいるほか、夾雑成分として数千ppm程度の硫化水素と数百ppm程度のアンモニアを含んでいる。分解工程では、例えば金属の触媒層にメタン含有ガスや、そこから分離した硫化水素、アンモニア等を通過させることにより、アンモニアを水素と窒素に、硫化水素を水素と硫黄にそれぞれ分解する。このように本発明では、メタン含有ガス中に夾雑成分として含まれているアンモニアや硫化水素からも水素を取り出すようにしたため、燃料電池の発電効率に優れるとともに、硫化水素による被毒の発生をも極力回避できる。なお、燃料電池の被毒を最大限回避したい場合には、改質工程より前に脱硫工程を設けて硫化水素を確実に除去しておくことも可能である。
【0037】
分解工程では、触媒充填物を入れた充填塔構造の反応装置を用いることが好ましい。使用する触媒としては、アンモニアについては鉄化合物系触媒が好ましく、硫化水素については貴金属系の触媒が好ましい。特に白金系触媒などの貴金属系の触媒を用い、600℃〜700℃でガスを通過させることにより、メタン含有ガス中のアンモニアと硫化水素の両方を分解することができる。分解工程で硫化水素の分解により生じた硫黄は、後段に硫黄除去フィルタを配備することによって捕捉し、メタン含有ガスから除去することができる。なお、メタン含有ガス中に含まれる分解対象がアンモニアだけである場合(例えば、メタン含有ガスの脱硫を別途実施する場合など)には、分解工程ではアンモニアの分解のみを行えばよいため、安価な鉄触媒のみを用い、300℃程度の温度でガスを通過させて分解を行うことができる。メタン含有ガス中から取り出した硫化水素やアンモニアをそれぞれ別個に処理する場合も、上記と同様の触媒を使用できる。
【0038】
<発電工程>
発電工程は、水素を燃料として燃料電池による発電を行う。燃料電池は、公知のように、水素極と酸素極との間に電解質を挟み込んだ基本構造をしており、水素極では水素が反応して電子を放出するとともに水素イオンを生成する。この水素は電解質を通過して酸素極へ移動し、そこで酸素と反応して水を生じる。この反応の過程で水素極から酸素極へ向って電子が流れ、発電が行われる。前記したように、本発明では、アンモニアおよび/または硫化水素由来の水素を燃料電池の原料として利用することができる。
【0039】
本発明の燃料電池発電プロセスにおいて利用可能な燃料電池としては、例えば、りん酸塩型、固体高分子膜型、溶融塩型、固体電解質型等の燃料電池を挙げることができる。りん酸塩型、固体高分子型の燃料電池は、200℃以下の比較的低温で反応が行われるので硫化水素による被毒を受けやすいが、本発明システムでは硫化水素からも水素を取り出し、硫黄分を除去してしまうため、触媒被毒の問題はほぼ回避できる。
【0040】
溶融塩型、固体電解質型の燃料電池の場合は、反応温度が500℃を超える高温であり、触媒がなくても十分に反応が進行するため、触媒被毒の問題はほとんど生じない。なお、溶融塩型、固体電解質型の燃料電池の場合は、脱硫や改質を行わずに、例えばメタン含有ガスをそのまま燃料電池に供給することが可能である。
【0041】
<吸収分離工程>
本発明の燃料電池発電プロセスでは、好ましい態様として、前記分解工程に先立ち、メタン含有ガス中に含まれる夾雑成分を溶液に吸収させる吸収分離工程を実施することができる。この吸収分離工程では、ガス中に含まれる夾雑成分や二酸化炭素を吸収分離することにより、一方では高濃度メタンガスを回収し、他方では硫化水素およびアンモニアガスを回収して燃料電池へ供給する。
【0042】
吸収分離は、通常のガス吸収塔を使用して行うことが可能であり、例えば、充填塔方式、棚段塔方式が好ましい。吸収分離工程では、ガス吸収塔を用い、メタン含有ガス中の硫化水素やアンモニア、二酸化炭素を吸収液に吸収させることによって分離し、高濃度のメタンガスを回収する。吸収液に溶解した硫化水素やアンモニアは、放散(ストリッピング)を行うことによって吸収液から分離し、回収する。この過程で使用する吸収液は、pH緩衝性のある塩の水溶液が好ましく、特にアミノポリカルボン酸の一部をアルカリ金属(ナトリウムなど)で中和した塩の水溶液などが好ましい。このような吸収液を用いると、pHの調整が容易になり、吸収・放散が効率良く行えるばかりでなく、ある領域にpHを設定することによって温度操作のみで吸収と放散を繰返すことが可能になる。
【0043】
<改質工程>
本発明の燃料電池発電プロセスでは、好ましい態様として、メタン含有ガス中に最も多量に含まれるメタンから水素を生成させる改質工程を行い、得られる水素を燃料電池に供給することも可能である。
【0044】
改質工程は、メタン含有ガス生成工程(メタン発酵や熱分解)で得られるメタン含有ガス中のメタンから水素を取り出す目的で行われる。改質工程では、例えば白金触媒などの貴金属系触媒を使用したコンバータを使用する。コンバータはりん酸塩型燃料電池や固体高分子膜型燃料電池等において広く使用されているものとして、例えば、水蒸気改質方式、部分酸化方式、オートサーマル方式のコンバータを利用できる。このコンバータにメタン含有ガスを導入し、メタン含有ガス中のメタンを改質して水素と一酸化炭素(あるいは二酸化炭素)を生成させる。
【0045】
<アンモニア回収工程>
通例、蛋白質等の窒素を含有する物質を原料とするメタン発酵液中には、数%以上の濃度の多量のアンモニアを含む場合が多い。本発明の燃料電池発電プロセスにおいては、好ましい態様として、前記メタン発酵工程で得られる発酵液に、アルカリ性物質を添加してアンモニアを生成させるアンモニア回収工程(アンモニアストリッピング)を含めることが可能である。このアンモニア回収工程で得られたアンモニアは、メタン含有ガスとともに分解工程で処理し、アンモニア由来の水素を生成させて燃料電池で利用することができる。これによって、燃料電池への水素供給効率を大幅に向上させることが可能になる。
【0046】
発酵液に投入するアルカリ性物質としては、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属の水酸化物(例えば消石灰、苛性ソーダなど)を用いることができる。
【0047】
発酵液からのアンモニアストリッピングは、例えば、スプレー方式、棚段方式、充填層方式等の塔類、膜分離装置等によって行うことができる。
【0048】
<メタン発酵液燃料電池発電プロセス>
本発明に係るメタン発酵液燃料電池発電プロセスは、有機性廃棄物を嫌気的条件で発酵させるメタン発酵工程と、前記メタン発酵過程で得られる発酵液にアルカリを添加してアンモニアを取り出すアンモニア回収工程と、前記アンモニアを分解し水素を生成させるアンモニア分解工程と、前記水素を燃料として燃料電池により発電を行う発電工程と、を含むものであり、メタン発酵、アンモニア回収工程および発電工程は上記燃料電池発電プロセスと同様にして実施することができる。アンモニア分解工程は、上記燃料電池発電プロセスにおける分解工程と同様にして実施できる。
【0049】
このメタン発酵液燃料電池発電プロセスは、バイオガスの燃料電池による発電装置に容易に組み込むことができるほか、例えば、バイオガスを利用したマイクロガスタービン、ガスエンジンなどの既存のバイオガス発電設備に並設することも可能であり、本プロセスを組み込むことによってメタン発酵液中にアンモニアとして含まれる水素資源を最大限に有効活用することができる。
【0050】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム101の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム101は、メタン発酵装置としての発酵槽10、吸収塔20、改質装置としてのコンバータ30、発電装置40および分解装置としての分解塔50を備えている。各装置の構成および機能は前記したとおりである。
【0051】
図1に示すように、有機性廃棄物は、発酵槽10に投入され、嫌気的条件の下で所定期間メタン発酵が行われる。メタン発酵により生成するバイオガスは、図示しない捕集手段によって吸収塔20へ送られる。吸収塔20では、バイオガス中に含まれる硫化水素、アンモニアなどの夾雑成分や二酸化炭素が吸収液に吸収されメタンガスと分離される。この操作によって、メタンガスは高濃度に精製された状態になり、そのままコンバータ30に送られる(経路61)。なお、脱硫を行う場合には、例えば吸収塔20の入口側に脱硫装置(図示せず)を配備することができる。
【0052】
吸収塔20で吸収液により吸収された夾雑成分のうち、分子内に水素原子を含むアンモニアや硫化水素は、吸収液からストリッピングによって放散させられ、分解塔50へ送られる。
【0053】
本実施形態の分解塔50は、アンモニア分解触媒と硫化水素分解触媒を兼ねた白金系触媒層を備えており、ストリッピングによって気化したアンモニアを窒素と水素に、硫化水素を硫黄と水素に、それぞれ分解する。分解により生成した水素は、前記メタンガスとは別の経路62でコンバータ30へ送られる。
【0054】
なお、分解塔50においては、アンモニア分解触媒と硫化水素分解触媒とを別個に装備することも可能である。その場合は、ガスの流れ方向に対して、硫化水素分解触媒(例、白金系触媒)を上流側に配置し、まずストリッピングガス中の硫化水素を水素と硫黄に分解して硫黄をフィルタ除去した後、アンモニア分解触媒(例、鉄触媒)によりアンモニアの分解を行うことが好ましい。硫化水素分解触媒を上流側に配置し、硫化水素および硫黄の除去を行うことによって、下流側の鉄触媒の触媒活性の低下を防ぐことができるからである。
【0055】
また、本実施形態では、図1に示すように、発酵液へのアルカリ投入(ストリッピング)によって発生したアンモニアを、発酵槽10から直接分解塔50へ送出する経路63が設けられており、上記吸収塔50からのアンモニアとともに分解し、発生した水素をコンバータ30へ送るように構成されている。
【0056】
コンバータ30では、吸収塔20を通過したメタンガスが改質され、水素まで分解されるとともに一酸化炭素(または二酸化炭素)が生成する。また、分解塔50でアンモニアや硫化水素の分解により生成した水素や窒素(硫黄はフィルタ除去される)もコンバータ30に送られメタンガスと合流する。
【0057】
なお、吸収塔20で夾雑成分や二酸化炭素が除去された高濃度の精製メタンガスを燃料電池以外の用途に利用する場合は、コンバータ30を通さずに吸収塔20から直接貯留したり、ガスタービンで燃焼等させたりすることができる。
【0058】
りん酸塩型または固体高分子膜型の燃料電池を具備する発電装置40では、コンバータ30から供給された水素によって反応が行われ、発生した電力と熱が回収される。なお、発生した熱量は、発酵槽10の保温等の用途で有効利用できる。
【0059】
以上の構成の燃料電池システム101では、メタン発酵で生成したアンモニアや硫化水素からも水素を取り出す手段を備えているので、燃料電池による発電量を増やすことが可能になるとともに、触媒毒となる硫化水素を除去できるため、効率の良い発電が行える。
【0060】
以降、図2〜図4の説明においては、特に言及しない限り、図1と同じ構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【0061】
図2は本発明の別の実施形態に係る燃料電池システム102の概略構成を示すブロック図であり、図1との相違として、発酵槽10に換えて熱分解塔11を備えたものである。本実施形態(図2)では、有機性廃棄物から熱分解塔11における熱分解によってメタン含有ガスを生成させる点、および発酵液が出ないためアンモニア再利用を行わない点以外は、図1と同様である。
【0062】
図3は、本発明のさらに別の燃料電池システム103の概略構成を示すものである。この燃料電池システム103は、図1および図2における吸収塔20を省略し、発酵槽10(または熱分解塔11)から直接分解塔50へバイオガス(熱分解ガス)を送るように構成されている。本実施形態では、分解塔50には、二酸化炭素やアンモニア、硫化水素とともに、メタンも導入される。これにより、燃料電池システム103全体を図1(図2)より簡略な構成にすることが可能になる。
【0063】
また、発電装置40の燃料電池として高温で反応を行い、触媒を使用しない溶融塩型や固体電解質型を利用する場合には、特に適したシステムである。今後、溶融塩型や固体電解質型の燃料電池の改良により、図3において、さらに分解塔50、コンバータ30を省略し、直接バイオガス(熱分解ガス)を発電設備40に供給できる可能性もある。
【0064】
本実施形態における発酵槽10(熱分解塔11)、分解塔50、コンバータ30、発電装置40の構成は、図1(図2)と同様である。また、図3においても、必要に応じて図1と同様に脱硫設備を設けることができる。
【0065】
図4は、本発明の一実施形態に係るメタン発酵液燃料電池プロセスに使用する燃料電池発電システム104の概要を示す図面である。本プロセスは、メタン発酵により生成したバイオガスが、燃料電池や、それ以外の既存設備(例えばマイクロガスタービンやガスエンジン、ボイラーなど)の燃料として既に利用されている場合に、そこに組み込んで並行してメタン発酵液中の水素資源を燃料電池で有効利用する目的に適したプロセスである。このプロセスでは、メタン発酵、アンモニア回収(ストリッピング)、アンモニア分解、発電の順に実施される。図4における発酵槽10、コンバータ30、発電装置40および分解塔50は、図1における各装置と同様である。この場合において、分解塔50としては、アンモニアの分解のみを対象とすればよく、硫化水素の分解は不要であるため、白金系触媒層に換えて鉄化合物系触媒層を使用することができる。
【0066】
【実施例】
次に、実施例、試験例により、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらによって制約されるものではない。
【0067】
実施例1
一般生ごみ、および家畜糞尿混合物のメタン発酵ガスを、分解装置に導入して約800℃に加熱した白金触媒層を通過させて硫化水素を分解し、分解物の硫黄をフィルタ除去した後、鉄触媒層を通してアンモニアを分解した。次いで脱硫層、改質装置としての燃料コンバータを通過させた。この改質ガスを固体高分子膜型の燃料電池本体に供給した。メタン発酵ガス中には約2000ppmの硫化水素と約300ppm(検知管による測定)のアンモニアガスが含まれていたが、白金触媒層および鉄触媒層を通過することにより分解し、硫化水素濃度は250ppm、アンモニア濃度は約20ppmまで低減した。これらの触媒層を通すことによって燃料電池の出力増は約2%であった。
【0068】
実施例2
メタン発酵液に消石灰スラリーを加え、pH9.5までアルカリ性にした後、エアレーションによってアンモニアを液からストリッピングした。このアンモニアガスを実施例1と同様に鉄触媒層に通過させた後、メタン発酵ガスとともに燃料電池本体に供給した。これによって約10Wの出力を定常的に得ることができた。
【0069】
実施例3
外気を遮断しながら、獣肉骨を含む有機性廃棄物を約500℃で熱分解したガスを、実施例1と同様に分解装置としての約800℃に加熱した白金触媒層に通して硫化水素を分解し、分解物の硫黄をフィルタ除去した後、鉄触媒層を通してアンモニアを分解し、次いで脱硫層、改質装置としての燃料コンバータを通過させた。熱分解ガス中のアンモニア濃度は約100ppm以下(検知管による測定)であった。この改質ガスを固体高分子膜型の燃料電池本体に供給したところ、燃料電池の出力増は約1%以下であったが、白金触媒層および鉄触媒層を通さない場合に比べて有意に大きな結果となった。これによって約5Wの出力を安定的に得ることができた。
【0070】
【発明の効果】
本発明の燃料電池発電プロセスでは、有機性廃棄物を嫌気的に発酵または熱分解して得られるメタン含有ガス中のアンモニアおよび/または硫化水素を分解して水素を生成させ、これを燃料にして燃料電池により発電を行うようにしたため、メタン含有ガスに含まれる水素源を最大限有効活用することが可能になる。また、触媒毒となる硫化水素は分解工程で除去されて水素のみが燃料電池に供給されるため、発電効率の低下を招くおそれもない。
【0071】
本発明のメタン発酵燃料電池発電プロセスによれば、嫌気的条件で有機性廃棄物をメタン発酵させた後の発酵液(発酵残渣)中には、大量のアンモニアが含まれているため、これを水素源として燃料電池に導入し、発電を行うことによって、発電量を大幅に増加させることが可能になる。
【0072】
本発明の燃料電池システムによれば、アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解装置を備えたため、この分解装置で分解生成した水素も含めて発電装置である燃料電池に供給することが可能になる。よって、従来型の燃料電池システムよりも大きな発電量を得ることができるとともに、燃料電池の電極反応を妨害する要因となる触媒の被毒を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。
【図2】本発明の別の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。
【図3】本発明のさらに別の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。
【図4】本発明のメタン発酵液燃料電池プロセスに用いる装置の概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
10 発酵槽
11 熱分解塔
20 吸収塔
30 コンバータ
40 発電装置
50 分解塔
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation process, and in particular, a fuel cell power generation process capable of efficiently generating electric power using components generated in the course of methane fermentation treatment and pyrolysis treatment of organic waste and the like, and fuel The present invention relates to a battery system.
[0002]
[Prior art]
The methane fermentation method is widely used for the treatment of organic waste such as livestock waste and garbage. In the methane fermentation treatment, biogas mainly composed of methane produced by metabolism of anaerobic microorganisms can be collected and used as recycled energy. In addition to methane fermentation, a process of pyrolyzing organic waste under anaerobic conditions is also performed, and even in this method, a pyrolysis gas containing a large amount of methane can be obtained.
[0003]
Biogas by methane fermentation and pyrolysis gas by pyrolysis (in the present invention, these may be collectively referred to as “methane-containing gas”) can be used as an energy source in various ways such as fuel cells, micro gas turbines, gas engines, etc. Methods are envisaged, and among these fuel cells are attracting attention as clean power generation facilities. Since the methane-containing gas contains about 60% by weight of methane containing a large amount of hydrogen atoms as the main component, efficient power generation is possible by extracting hydrogen from this methane. (For example, see Patent Documents 1 to 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-149933
[Patent Document 2]
JP 2000-167523 A
[Patent Document 3]
JP 2002-45832 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the problem of the fuel cell power generation process is that the process efficiency is not so good in reality, and the energy efficiency is less than the direct use of methane gas (for example, cogeneration by a micro gas turbine). Also, cost reduction is an important issue for practical application.
[0006]
Another problem when using methane-containing gas in fuel cells is that methane-containing gas, such as biogas, inevitably contains about several thousand ppm of hydrogen sulfide. Then, there is a problem that it acts as a catalyst poison for a platinum-based catalyst used as an electrode of the fuel cell, and the performance of the fuel cell is lowered. Therefore, in order to use the methane-containing gas for a fuel cell, a desulfurization facility must be provided in the middle.
[0007]
An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation process capable of efficiently converting methane-containing gas obtained by subjecting organic waste to methane fermentation treatment or thermal decomposition treatment into electric energy.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of the fuel cell power generation process according to claim 1 is based on methane, which is obtained by fermentation and / or pyrolysis of organic waste under anaerobic conditions, and contains ammonia and / or Alternatively, a methane-containing gas generation step for recovering a gas containing hydrogen sulfide, a decomposition step for decomposing the ammonia and / or hydrogen sulfide to generate hydrogen, and a power generation step for generating power with a fuel cell using the hydrogen as fuel. , Including.
[0009]
In this fuel cell power generation process, ammonia and / or hydrogen sulfide in methane-containing gas obtained by anaerobically fermenting or thermally decomposing organic waste is decomposed to produce hydrogen, which is used as a fuel cell. Therefore, it is possible to make maximum use of the hydrogen source contained in the methane-containing gas.
[0010]
Further, since hydrogen sulfide serving as the catalyst poison is removed in the decomposition step and only hydrogen is supplied to the fuel cell, there is no possibility of reducing the power generation efficiency. That is, since the decomposition process itself for hydrogen generation has a desulfurization action, there is an advantage that the conventional desulfurization process is not essential in the fuel cell power generation process.
[0011]
Note that methane, which is the main component in the methane-containing gas, can be used in a fuel cell after reforming, and can also be used as a fuel for a gas turbine, a gas engine, or the like.
[0012]
An invention of a fuel cell power generation process according to a second aspect includes the reforming step of decomposing the methane to generate hydrogen in the first aspect, wherein the power generation step includes the reforming step and the decomposition step. It is characterized by using hydrogen as a fuel.
[0013]
According to this feature, by supplying hydrogen obtained by reforming methane to the fuel cell, it is possible to add hydrogen from methane to hydrogen from ammonia and / or hydrogen from hydrogen sulfide. Thus, the power generation amount of the fuel cell can be increased.
[0014]
The invention of the fuel cell power generation process according to claim 3 includes an ammonia recovery step in which alkali is added to the fermentation liquor produced by the fermentation to extract ammonia in claim 1 or claim 2, wherein the ammonia recovery step The obtained ammonia is treated in the decomposition step, and the obtained hydrogen is used in the power generation step.
[0015]
A large amount of ammonia is contained in the fermented liquid (fermentation residue) after fermenting organic waste under anaerobic conditions. By introducing this into a fuel cell as a hydrogen source, It becomes possible to greatly increase the amount of power generation.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell power generation process according to any one of the first to third aspects, wherein the fuel cell is a phosphate fuel cell or a solid polymer membrane fuel cell. It is characterized by. Phosphate type fuel cells or polymer electrolyte membrane fuel cells react at a relatively low temperature of 200 ° C. or lower, so that the catalyst is likely to be poisoned by hydrogen sulfide. However, hydrogen sulfide and ammonia are decomposed in advance. Thus, according to the process of the present invention supplied as hydrogen, there is almost no worry of poisoning.
[0017]
The invention of the methane fermentation liquid fuel cell power generation process according to claim 5 includes a methane fermentation process in which organic waste is fermented under anaerobic conditions, and ammonia is added to the fermentation liquid obtained in the methane fermentation process to add ammonia. It includes an ammonia recovery step to be taken out, an ammonia decomposition step in which the ammonia is decomposed to generate hydrogen, and a power generation step in which power is generated by a fuel cell using the hydrogen as a fuel. According to this methane fermentation liquid fuel cell power generation process, a large amount of ammonia is contained in the fermentation liquid (fermentation residue) after methane fermentation of organic waste under anaerobic conditions. By introducing the fuel cell as a source and generating power, the amount of power generation can be greatly increased.
[0018]
The fuel cell system invention according to claim 6 is a methane fermentation that ferments organic waste under anaerobic conditions and collects biogas containing ammonia and / or hydrogen sulfide as a main component of the produced methane. An apparatus, a reformer that decomposes the methane to generate hydrogen, a cracker that decomposes the ammonia and / or hydrogen sulfide to generate hydrogen, and hydrogen generated by the reformer and the cracker And a power generation device that generates power using a fuel cell as fuel.
[0019]
According to this feature, since the decomposition device for decomposing ammonia and / or hydrogen sulfide and generating hydrogen is provided, it is possible to supply the fuel cell, which is a power generation device, including the hydrogen decomposed and generated by this decomposition device. Become. Therefore, it is possible to obtain a larger amount of power generation than that of a conventional fuel cell system, and it is possible to avoid poisoning of the catalyst, which is a factor that hinders the electrode reaction of the fuel cell.
[0020]
The invention of the fuel cell system according to claim 7 thermally decomposes organic waste under anaerobic conditions, and collects pyrolysis gas containing the generated methane as a main component and containing ammonia and / or hydrogen sulfide. A thermal decomposition apparatus, a reformer that decomposes the pyrolysis gas to generate hydrogen, a decomposition apparatus that decomposes the ammonia and / or hydrogen sulfide to generate hydrogen, and the reformer and the decomposition apparatus. And a power generation device that generates power with a fuel cell using the generated hydrogen as a fuel. According to this feature, since the decomposition device for decomposing ammonia and / or hydrogen sulfide and generating hydrogen is provided, it is possible to supply the fuel cell, which is a power generation device, including the hydrogen decomposed and generated by this decomposition device. Become. Therefore, it is possible to obtain a larger amount of power generation than that of a conventional fuel cell system, and it is possible to avoid poisoning of the catalyst, which is a factor that hinders the electrode reaction of the fuel cell.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The fuel cell power generation process of the present invention is a methane-containing process that recovers a gas containing ammonia and / or hydrogen sulfide, which is obtained by fermentation and / or pyrolysis of organic waste under anaerobic conditions. It is carried out by performing a gas generation step, a decomposition step of decomposing ammonia and / or hydrogen sulfide to generate hydrogen, and a power generation step of generating power with a fuel cell using hydrogen as a fuel. Preferably, a reforming step of further decomposing methane to generate hydrogen is performed, and hydrogen obtained in the reforming step and the cracking step can be used as fuel in the power generation step.
[0022]
In the present invention, organic waste includes, for example, livestock waste, green waste, and wastewater treatment sludge. Examples of livestock waste include livestock manure, carcass and / or processed products thereof. More specifically, livestock carcasses such as cattle, sheep, goats and chickens, and bones separated therefrom. In addition to meat, fat, internal organs, blood, brain, eyeballs, skin, hoofs, horns, etc., crushed material of bones, meat, etc. of livestock carcasses represented by meat and bone meal, meat meal, bone meal, blood meal In addition, a dried product obtained by drying blood or the like is also included. In addition to household garbage, green-rich waste includes agricultural and industrial waste, food processing waste, etc. as industrial waste.
[0023]
In the present invention, depending on the state of the organic waste as a raw material, a crushing / sorting step can be performed as a pretreatment as necessary. The crushing / sorting step can be performed by, for example, fractionating crushing as shown below, or crushing the entire amount.
In the case of fractional crushing, a crushing / separating machine is used to collect a portion of the organic waste that can be easily crushed as a slurry together with the liquid. On the other hand, parts that are difficult to crush are collected separately as a lump. The water content of the slurry is 70 to 90% by weight, and the water content of the lump is about 40 to 60% by weight. The crushing / separating machine crushes organic solids by a shearing force and a pulling force, and a two-axis type or a three-axis type cutter can be used. When animal carcasses such as cattle are used as raw materials, it is preferable to crush the triaxial type from the viewpoint of crushing fineness and uniformity.
[0024]
The mixed plastics and sheets to be sorted and removed can be removed by mesh sorting, wind sorting (wind sorting), or the like.
[0025]
In the case of pulverizing the entire amount, for example, the entire object is crushed using a crusher such as a disposer. The moisture content is, for example, 60 to 70% by weight, but takes a wide range in the case of processed products.
[0026]
<Methane-containing gas production process>
In the fuel cell power generation process of the present invention, the methane-containing gas generation step for recovering the methane-containing gas is performed, for example, by methane fermentation, thermal decomposition, or the like.
[0027]
Methane fermentation:
Methane fermentation can be applied to any of a so-called medium temperature type, a high temperature type, a slurry (wet) type, and a dry (dry) type.
[0028]
In order to maintain the activity by the absolute anaerobic methane fermentation bacteria, the fermenter is composed of a tank in which air is completely shut off in the latter stage even in the case of a fermentation process using a two-tank system. The shape and operating conditions of the fermenter vary depending on the solid matter concentration (usually in the range of 7% to 40% by weight) and the fermentation temperature (usually 37 ° C for medium temperature fermentation and 55 ° C for high temperature fermentation). In particular, in the present invention, in the case of a raw material having a high water content (up to a solid concentration of 10% by weight) mixed with washing wastewater, a wet type complete mixing type fermenter, a raw material having a low water content (solid In the case of a product concentration of 30 to 40% by weight, it is preferable to use a so-called dry type plug flow type (extrusion type) fermenter.
[0029]
In addition to the recovery means for recovering the biogas to be produced, it is preferable that the fermenter is provided with a heating means for keeping warm if necessary. In addition, the biogas recovery means may be provided with a desulfurization apparatus as required. Those having a known configuration can be used.
[0030]
In the case of a raw material with a high water content (solids concentration up to about 10% by weight), a complete mixing type fermenter is used. For medium-temperature methane-fermenting bacteria (optimum temperature of 37 ° C.) for about a day, the residence time can be about 15 to 20 days, which is shorter than the required number of days for normal methane fermentation. In the present invention, unlike ordinary anaerobic digestion treatment, methane fermentation is performed for the purpose of recovering methane. Therefore, it is not necessary to complete the decomposition treatment by methane fermentation. In general methane fermentation, the residence time is about 15 days for high temperature fermentation and about 20 to 30 days for medium temperature fermentation.
[0031]
In the case of a raw material having a low water content (solids concentration of 30 to 40% by weight), the solid content concentration of the object to be treated is adjusted to 30 to 40% by weight to adjust the hardness to such an extent that an extrusion type fermenter can be used. About residence time, it can set similarly to the case of high moisture content. If necessary, some organic components can be introduced to adjust the carbon / nitrogen ratio.
[0032]
The main purpose of the methane fermentation process is to recover biogas as an energy source. A solid-liquid separation step of the fermentation broth can be provided as necessary after methane fermentation. In order to suppress energy consumption in the subsequent carbonization step, it is preferable to perform solid-liquid separation to reduce the initial moisture content.
[0033]
For the solid-liquid separation, an apparatus capable of increasing the slurry concentration, such as a decanter, a coagulation sedimentation tank, a centrifugal dehydrator, a screw press, and a membrane separator, can be used, and is selected according to the properties of the fermentation broth. In addition to the above, a solid-liquid separation method by an evaporation method is also possible. In this case, biogas produced by methane fermentation can be used as an energy source for evaporation.
[0034]
Thermal decomposition:
Thermal decomposition heats and carbonizes organic waste, the fermented material after the methane fermentation, etc. up to a predetermined temperature under the condition of blocking air. Examples of the apparatus used for the thermal decomposition process include a drying / carbonizing apparatus capable of blocking outside air such as a rotary kiln type, a screw conveyor type, a gravity drop type, and a batch fixed bed type. When drying and carbonizing at a relatively low temperature (450 to 500 ° C.), any method can be used, but when drying and carbonizing at a high temperature of 800 ° C. or higher, a rotary kiln method, a screw conveyor method, etc. It is important to select a heat-resistant material in a drying / carbonizing apparatus with large elements. In the carbonization treatment at 800 ° C. to 850 ° C., the recovery rate of the combustible gas from the organic waste can be improved.
[0035]
In the thermal decomposition process, a large amount of methane-containing gas is generated as the organic substance is thermally decomposed. The pyrolysis gas is recovered and supplied to the fuel cell, and can be used as a heat source in the pyrolysis process.
[0036]
<Disassembly process>
Methane-containing gas produced by methane fermentation and pyrolysis varies depending on the type of organic waste, but usually contains about 60% by weight of methane and about 40% by weight of carbon dioxide, and is about several thousand ppm as a contaminant component. Of hydrogen sulfide and ammonia of about several hundred ppm. In the decomposition step, for example, by passing a methane-containing gas, hydrogen sulfide separated from the metal catalyst layer, ammonia, or the like through a metal catalyst layer, ammonia is decomposed into hydrogen and nitrogen, and hydrogen sulfide is decomposed into hydrogen and sulfur. As described above, in the present invention, since hydrogen is also taken out from ammonia and hydrogen sulfide contained as impurities in the methane-containing gas, the power generation efficiency of the fuel cell is excellent, and poisoning due to hydrogen sulfide is also generated. Avoid as much as possible. If it is desired to avoid poisoning of the fuel cell as much as possible, it is possible to provide a desulfurization step prior to the reforming step to reliably remove hydrogen sulfide.
[0037]
In the decomposition step, it is preferable to use a reactor having a packed tower structure containing a catalyst packing. As the catalyst to be used, an iron compound catalyst is preferable for ammonia, and a noble metal catalyst is preferable for hydrogen sulfide. In particular, both ammonia and hydrogen sulfide in the methane-containing gas can be decomposed by using a noble metal-based catalyst such as a platinum-based catalyst and passing the gas at 600 to 700 ° C. Sulfur generated by the decomposition of hydrogen sulfide in the decomposition step can be captured and removed from the methane-containing gas by providing a sulfur removal filter in the subsequent stage. In addition, when the decomposition target contained in the methane-containing gas is only ammonia (for example, when desulfurization of the methane-containing gas is performed separately), it is only necessary to perform decomposition of ammonia in the decomposition step. Decomposition can be performed by using only an iron catalyst and passing a gas at a temperature of about 300 ° C. In the case of separately treating hydrogen sulfide and ammonia extracted from the methane-containing gas, the same catalyst as described above can be used.
[0038]
<Power generation process>
In the power generation process, power is generated by a fuel cell using hydrogen as a fuel. As is well known, a fuel cell has a basic structure in which an electrolyte is sandwiched between a hydrogen electrode and an oxygen electrode. At the hydrogen electrode, hydrogen reacts to release electrons and generate hydrogen ions. This hydrogen passes through the electrolyte and moves to the oxygen electrode, where it reacts with oxygen to produce water. In the course of this reaction, electrons flow from the hydrogen electrode to the oxygen electrode to generate electricity. As described above, in the present invention, ammonia and / or hydrogen derived from hydrogen sulfide can be used as a raw material of the fuel cell.
[0039]
Examples of the fuel cell that can be used in the fuel cell power generation process of the present invention include a phosphate type, a solid polymer membrane type, a molten salt type, and a solid electrolyte type. Phosphate type and solid polymer type fuel cells are susceptible to poisoning by hydrogen sulfide because the reaction is carried out at a relatively low temperature of 200 ° C. or less. The problem of catalyst poisoning can be almost avoided because the portion is removed.
[0040]
In the case of a molten salt type or solid electrolyte type fuel cell, the reaction temperature is higher than 500 ° C., and the reaction proceeds sufficiently even without a catalyst, so that the problem of catalyst poisoning hardly occurs. In the case of a molten salt type or solid electrolyte type fuel cell, for example, methane-containing gas can be supplied to the fuel cell as it is without desulfurization or reforming.
[0041]
<Absorption separation process>
In the fuel cell power generation process of the present invention, as a preferred embodiment, prior to the decomposition step, an absorption / separation step in which the impurities contained in the methane-containing gas are absorbed by the solution can be performed. In this absorption / separation step, high-concentration methane gas is recovered on the one hand by collecting and separating contaminant components and carbon dioxide contained in the gas, and on the other hand, hydrogen sulfide and ammonia gas are recovered and supplied to the fuel cell.
[0042]
Absorption separation can be performed using a normal gas absorption tower. For example, a packed tower system or a plate tower system is preferable. In the absorption separation process, a gas absorption tower is used to separate the hydrogen sulfide, ammonia, and carbon dioxide in the methane-containing gas by absorbing them into the absorption liquid, and a high-concentration methane gas is recovered. Hydrogen sulfide and ammonia dissolved in the absorbing liquid are separated from the absorbing liquid by recovery (stripping) and recovered. The absorbing solution used in this process is preferably an aqueous salt buffer solution, and particularly preferably an aqueous salt solution obtained by neutralizing a part of aminopolycarboxylic acid with an alkali metal (such as sodium). Using such an absorption liquid makes it easy to adjust the pH, so that absorption and dissipation can be performed efficiently, and by setting the pH in a certain area, absorption and dissipation can be repeated only by temperature operation. Become.
[0043]
<Reforming process>
In the fuel cell power generation process of the present invention, as a preferred embodiment, it is possible to perform a reforming step for generating hydrogen from methane contained in the largest amount in the methane-containing gas, and supply the resulting hydrogen to the fuel cell.
[0044]
The reforming step is performed for the purpose of extracting hydrogen from methane in the methane-containing gas obtained in the methane-containing gas production step (methane fermentation or thermal decomposition). In the reforming step, for example, a converter using a noble metal catalyst such as a platinum catalyst is used. For example, a steam reforming system, a partial oxidation system, or an autothermal system converter can be used as a converter widely used in phosphate fuel cells, solid polymer membrane fuel cells, and the like. A methane-containing gas is introduced into the converter, and the methane in the methane-containing gas is reformed to generate hydrogen and carbon monoxide (or carbon dioxide).
[0045]
<Ammonia recovery process>
Usually, a methane fermentation broth using a material containing nitrogen such as protein as a raw material often contains a large amount of ammonia having a concentration of several percent or more. In the fuel cell power generation process of the present invention, as a preferred embodiment, it is possible to include an ammonia recovery step (ammonia stripping) in which ammonia is generated by adding an alkaline substance to the fermentation broth obtained in the methane fermentation step. . Ammonia obtained in this ammonia recovery step can be treated in a decomposition step together with a methane-containing gas to generate ammonia-derived hydrogen, which can be used in a fuel cell. This makes it possible to greatly improve the efficiency of supplying hydrogen to the fuel cell.
[0046]
As the alkaline substance to be introduced into the fermentation broth, for example, alkali metal or alkaline earth metal hydroxides (for example, slaked lime, caustic soda, etc.) can be used.
[0047]
Ammonia stripping from the fermentation broth can be performed by towers such as a spray system, a shelf system, and a packed bed system, a membrane separator, and the like.
[0048]
<Methane fermentation liquid fuel cell power generation process>
The methane fermentation liquid fuel cell power generation process according to the present invention includes a methane fermentation process for fermenting organic waste under anaerobic conditions, and an ammonia recovery process for adding ammonia to the fermentation liquid obtained in the methane fermentation process to extract ammonia. An ammonia decomposition step of decomposing the ammonia to generate hydrogen, and a power generation step of generating power with a fuel cell using the hydrogen as a fuel. The methane fermentation, the ammonia recovery step, and the power generation step include the fuel cell It can be carried out in the same manner as the power generation process. The ammonia decomposition step can be performed in the same manner as the decomposition step in the fuel cell power generation process.
[0049]
This methane fermentation liquid fuel cell power generation process can be easily incorporated into a power generation device using a biogas fuel cell, and can be used in parallel with existing biogas power generation facilities such as micro gas turbines and gas engines using biogas. It is also possible to install this process, and by incorporating this process, the hydrogen resource contained as ammonia in the methane fermentation liquid can be utilized to the maximum extent possible.
[0050]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 101 includes a fermentation tank 10 as a methane fermentation apparatus, an absorption tower 20, a converter 30 as a reforming apparatus, a power generation apparatus 40, and a decomposition tower 50 as a decomposition apparatus. The configuration and function of each device are as described above.
[0051]
As shown in FIG. 1, organic waste is put into a fermenter 10 and methane fermentation is performed for a predetermined period under anaerobic conditions. Biogas produced by methane fermentation is sent to the absorption tower 20 by a collecting means (not shown). In the absorption tower 20, contaminant components such as hydrogen sulfide and ammonia and carbon dioxide contained in the biogas are absorbed by the absorption liquid and separated from the methane gas. By this operation, the methane gas is purified to a high concentration and is sent to the converter 30 as it is (path 61). When desulfurization is performed, a desulfurization device (not shown) can be provided on the inlet side of the absorption tower 20, for example.
[0052]
Among the contaminated components absorbed by the absorption liquid in the absorption tower 20, ammonia and hydrogen sulfide containing hydrogen atoms in the molecule are dissipated from the absorption liquid by stripping and sent to the decomposition tower 50.
[0053]
The cracking tower 50 of this embodiment includes a platinum-based catalyst layer that also serves as an ammonia cracking catalyst and a hydrogen sulfide cracking catalyst. Ammonia vaporized by stripping is converted into nitrogen and hydrogen, hydrogen sulfide is converted into sulfur and hydrogen, respectively. Decompose. Hydrogen generated by the decomposition is sent to the converter 30 through a path 62 different from the methane gas.
[0054]
In the cracking tower 50, it is also possible to equip the ammonia cracking catalyst and the hydrogen sulfide cracking catalyst separately. In that case, a hydrogen sulfide decomposition catalyst (eg, platinum-based catalyst) is placed upstream of the gas flow direction. First, hydrogen sulfide in the stripping gas is decomposed into hydrogen and sulfur, and the sulfur is filtered out. After that, it is preferable to perform ammonia decomposition with an ammonia decomposition catalyst (eg, iron catalyst). This is because by disposing the hydrogen sulfide decomposition catalyst on the upstream side and removing hydrogen sulfide and sulfur, it is possible to prevent a decrease in the catalytic activity of the downstream iron catalyst.
[0055]
Moreover, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the path | route 63 which sends out the ammonia which generate | occur | produced by alkali addition (stripping) to a fermented liquid directly from the fermenter 10 to the decomposition tower 50 is provided, and the said The hydrogen is decomposed together with the ammonia from the absorption tower 50, and the generated hydrogen is sent to the converter 30.
[0056]
In the converter 30, the methane gas that has passed through the absorption tower 20 is reformed and decomposed to hydrogen and carbon monoxide (or carbon dioxide) is generated. Further, hydrogen and nitrogen (sulfur is removed by filtering) generated by the decomposition of ammonia and hydrogen sulfide in the decomposition tower 50 are also sent to the converter 30 and merged with methane gas.
[0057]
When high-concentration purified methane gas from which impurities and carbon dioxide have been removed by the absorption tower 20 is used for applications other than fuel cells, it can be stored directly from the absorption tower 20 without passing through the converter 30, or by a gas turbine. It can be burned.
[0058]
In the power generation device 40 including the phosphate type or solid polymer membrane type fuel cell, the reaction is performed by the hydrogen supplied from the converter 30, and the generated electric power and heat are recovered. The amount of heat generated can be used effectively for purposes such as keeping the fermenter 10 warm.
[0059]
The fuel cell system 101 having the above configuration includes means for extracting hydrogen from ammonia and hydrogen sulfide generated by methane fermentation, so that it is possible to increase the amount of power generated by the fuel cell and to provide sulfur that is a catalyst poison. Since hydrogen can be removed, efficient power generation can be performed.
[0060]
Hereinafter, in the description of FIGS. 2 to 4, the same components as those in FIG.
[0061]
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 102 according to another embodiment of the present invention. As a difference from FIG. 1, a pyrolysis tower 11 is provided instead of the fermenter 10. In the present embodiment (FIG. 2), except that the methane-containing gas is generated from the organic waste by thermal decomposition in the thermal decomposition tower 11 and that the fermentation liquor does not come out and the ammonia is not reused, FIG. It is the same.
[0062]
FIG. 3 shows a schematic configuration of still another fuel cell system 103 of the present invention. The fuel cell system 103 is configured to omit the absorption tower 20 in FIGS. 1 and 2 and send biogas (pyrolysis gas) directly from the fermentation tank 10 (or the pyrolysis tower 11) to the cracking tower 50. Yes. In the present embodiment, methane is also introduced into the decomposition tower 50 along with carbon dioxide, ammonia, and hydrogen sulfide. As a result, the entire fuel cell system 103 can be configured more simply than in FIG. 1 (FIG. 2).
[0063]
In addition, the system is particularly suitable when the fuel cell of the power generation apparatus 40 is reacted at a high temperature and a molten salt type or a solid electrolyte type that does not use a catalyst is used. In the future, there is a possibility that the biogas (pyrolysis gas) can be directly supplied to the power generation facility 40 by omitting the decomposition tower 50 and the converter 30 in FIG. 3 by improving the molten salt type or solid electrolyte type fuel cell. .
[0064]
The configurations of the fermenter 10 (pyrolysis tower 11), the decomposition tower 50, the converter 30, and the power generation apparatus 40 in the present embodiment are the same as those in FIG. 1 (FIG. 2). Also in FIG. 3, a desulfurization facility can be provided as necessary as in FIG.
[0065]
FIG. 4 is a diagram showing an outline of the fuel cell power generation system 104 used in the methane fermentation liquid fuel cell process according to an embodiment of the present invention. In this process, when biogas produced by methane fermentation is already used as fuel for fuel cells and other existing equipment (eg, micro gas turbines, gas engines, boilers, etc.) Therefore, this process is suitable for the purpose of effectively using the hydrogen resources in the methane fermentation broth in the fuel cell. In this process, methane fermentation, ammonia recovery (stripping), ammonia decomposition, and power generation are performed in this order. The fermenter 10, the converter 30, the power generation device 40, and the decomposition tower 50 in FIG. 4 are the same as the respective devices in FIG. In this case, the decomposition tower 50 only needs to decompose ammonia, and does not require decomposition of hydrogen sulfide. Therefore, an iron compound-based catalyst layer can be used instead of the platinum-based catalyst layer.
[0066]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example and a test example demonstrate this invention further in detail, this invention is not restrict | limited by these.
[0067]
Example 1
Methane fermentation gas from general garbage and livestock manure mixture is introduced into a cracking device and passed through a platinum catalyst layer heated to about 800 ° C. to decompose hydrogen sulfide, and the sulfur in the cracked product is removed by filtration. Ammonia was decomposed through the catalyst layer. Next, the desulfurization layer and a fuel converter as a reformer were passed. This reformed gas was supplied to a solid polymer membrane fuel cell body. The methane fermentation gas contained about 2000 ppm of hydrogen sulfide and about 300 ppm (measured with a detector tube) of ammonia gas, but decomposed by passing through the platinum catalyst layer and the iron catalyst layer, and the hydrogen sulfide concentration was 250 ppm. The ammonia concentration was reduced to about 20 ppm. By passing these catalyst layers, the increase in the output of the fuel cell was about 2%.
[0068]
Example 2
Slaked lime slurry was added to the methane fermentation broth to make it alkaline to pH 9.5, and then ammonia was stripped from the liquor by aeration. The ammonia gas was passed through the iron catalyst layer in the same manner as in Example 1, and then supplied to the fuel cell main body together with the methane fermentation gas. As a result, an output of about 10 W could be constantly obtained.
[0069]
Example 3
While blocking the outside air, gas obtained by thermally decomposing organic waste containing animal meat bones at about 500 ° C. was passed through a platinum catalyst layer heated to about 800 ° C. as a decomposition apparatus in the same manner as in Example 1 to pass hydrogen sulfide. After decomposing and removing the sulfur of the decomposition product by filtration, ammonia was decomposed through the iron catalyst layer, and then passed through a desulfurization layer and a fuel converter as a reformer. The ammonia concentration in the pyrolysis gas was about 100 ppm or less (measured by a detector tube). When this reformed gas was supplied to the solid polymer membrane fuel cell main body, the increase in the output of the fuel cell was about 1% or less, but it was significantly higher than when the platinum catalyst layer and the iron catalyst layer were not passed. It was a big result. As a result, an output of about 5 W was stably obtained.
[0070]
【The invention's effect】
In the fuel cell power generation process of the present invention, ammonia and / or hydrogen sulfide in a methane-containing gas obtained by anaerobically fermenting or thermally decomposing organic waste is decomposed to produce hydrogen, which is used as fuel. Since the power generation is performed by the fuel cell, the hydrogen source contained in the methane-containing gas can be utilized to the maximum extent possible. Further, since hydrogen sulfide serving as the catalyst poison is removed in the decomposition step and only hydrogen is supplied to the fuel cell, there is no possibility of reducing the power generation efficiency.
[0071]
According to the methane fermentation fuel cell power generation process of the present invention, a large amount of ammonia is contained in the fermentation liquid (fermentation residue) after methane fermentation of organic waste under anaerobic conditions. By introducing it into a fuel cell as a hydrogen source and generating power, the amount of power generation can be greatly increased.
[0072]
According to the fuel cell system of the present invention, since the decomposition device for decomposing ammonia and / or hydrogen sulfide and generating hydrogen is provided, the hydrogen that is decomposed and generated by the decomposition device is supplied to the fuel cell that is a power generation device. It becomes possible. Therefore, it is possible to obtain a larger amount of power generation than that of a conventional fuel cell system, and it is possible to avoid poisoning of the catalyst, which is a factor that hinders the electrode reaction of the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of an apparatus used in the methane fermentation liquid fuel cell process of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Fermenter
11 Pyrolysis tower
20 Absorption tower
30 Converter
40 Power generator
50 Decomposition tower

Claims (6)

有機性廃棄物を嫌気的条件で発酵または熱分解して得られる、メタンを主成分とし、アンモニアおよび/または硫化水素を含有するガスを生成させるメタン含有ガス生成工程と、
前記メタン含有ガス中に含まれるアンモニアおよび/または硫化水素を吸収液に吸収させてメタンと分離させる吸収分離工程と、
前記吸収分離工程でメタンと分離された前記アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解工程と、
前記吸収分離工程において、前記アンモニアおよび/または硫化水素と分離されたメタンを分解して水素を生成させる改質工程と、
前記改質工程および前記分解工程で得られる水素を燃料として利用して燃料電池により発電を行う発電工程と、を含む燃料電池発電プロセスであって、
前記吸収液がpH緩衝性のある塩の水溶液であることを特徴とする燃料電池発電プロセス。
Originating 酵Ma other under anaerobic conditions of organic waste is obtained by thermal decomposition as a main component methane, methane-containing gas generating step of generating a gas containing ammonia and / or hydrogen sulfide,
An absorption separation step in which ammonia and / or hydrogen sulfide contained in the methane-containing gas is absorbed into an absorption liquid and separated from methane;
A decomposition step of decomposing the ammonia and / or hydrogen sulfide separated from methane in the absorption separation step to generate hydrogen;
A reforming step of decomposing methane separated from the ammonia and / or hydrogen sulfide to generate hydrogen in the absorption separation step ;
A power generation step of generating power by a fuel cell using hydrogen obtained in the reforming step and the decomposition step as a fuel ,
A fuel cell power generation process, wherein the absorbing solution is an aqueous solution of a salt having a pH buffering property.
請求項1に記載された燃料電池発電プロセスにおいて、前記発酵により生成する発酵液にアルカリを添加してアンモニアを取り出すアンモニア回収工程を含み、
該アンモニア回収工程で得られたアンモニア前記分解工程で処理し、得られる水素を発電工程で利用することを特徴とする、燃料電池発電プロセス。
The fuel cell power generation process according to claim 1 , further comprising an ammonia recovery step of adding ammonia to the fermentation liquor produced by the fermentation to extract ammonia.
A fuel cell power generation process, wherein the ammonia obtained in the ammonia recovery step is also treated in the decomposition step, and the resulting hydrogen is used in the power generation step.
請求項1または請求項2に記載された燃料電池発電プロセスにおいて、In the fuel cell power generation process according to claim 1 or 2,
前記分解工程を経たガスを前記改質工程に送ることを特徴とする燃料電池発電プロセス。A fuel cell power generation process, wherein the gas having undergone the decomposition step is sent to the reforming step.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載された燃料電池発電プロセスおいて、
前記燃料電池が、りん酸塩型燃料電池または固体高分子膜型燃料電池である、燃料電池発電プロセス。
In the fuel cell power generation process according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell power generation process, wherein the fuel cell is a phosphate fuel cell or a solid polymer membrane fuel cell.
有機性廃棄物を 嫌気的条件で発酵するとともに、生成したメタンを主成分とし、アンモニアおよび/または硫化水素を含有するバイオガスを生成させるメタン発酵装置と、
前記メタン含有ガス中に含まれるアンモニアおよび/または硫化水素を吸収液に吸収させてメタンと分離させる吸収分離装置と、
前記吸収分離装置において、前記アンモニアおよび/または硫化水素と分離されたメタンを分解して水素を生成させる改質装置と、
前記吸収分離装置でメタンと分離された前記アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解装置と、
前記改質装置および前記分解装置により生成した水素を燃料として燃料電池により発電を行う発電装置と、を含む燃料電池システムであって、
前記吸収液がpH緩衝性のある塩の水溶液であることを特徴とする燃料電池システム。
A methane fermentation apparatus that ferments organic waste under anaerobic conditions and generates biogas containing ammonia and / or hydrogen sulfide, the main component of which is methane.
An absorption separation device that absorbs ammonia and / or hydrogen sulfide contained in the methane-containing gas into an absorption liquid and separates it from methane;
In the absorption separation device, a reformer that decomposes methane separated from the ammonia and / or hydrogen sulfide to generate hydrogen ;
A decomposing apparatus for decomposing the ammonia and / or hydrogen sulfide separated from methane by the absorption separating apparatus to generate hydrogen;
A fuel cell system including a power generation device that generates power with a fuel cell using hydrogen produced by the reformer and the cracking device as fuel ,
The fuel cell system, wherein the absorbing solution is an aqueous solution of a salt having a pH buffering property.
有機性廃棄物を嫌気的条件で熱分解するとともに、生成したメタンを主成分とし、アンモニアおよび/または硫化水素を含有する熱分解ガスを生成させる熱分解装置と、
前記メタン含有ガス中に含まれるアンモニアおよび/または硫化水素を吸収液に吸収させてメタンと分離させる吸収分離装置と、
前記吸収分離装置において、前記アンモニアおよび/または硫化水素と分離されたメタンを分解して水素を生成させる改質装置と、
前記吸収分離装置でメタンと分離された前記アンモニアおよび/または硫化水素を分解し、水素を生成させる分解装置と、
前記改質装置および前記分解装置により生成した水素を燃料として燃料電池により発電を行う発電装置と、を含む燃料電池システムであって、
前記吸収液がpH緩衝性のある塩の水溶液であることを特徴とする燃料電池システム。
The organic waste as well as thermal decomposition under anaerobic conditions, the main component generated methane, and the pyrolyzer to produce pyrolysis gas containing ammonia and / or hydrogen sulfide,
An absorption separation device that absorbs ammonia and / or hydrogen sulfide contained in the methane-containing gas into an absorption liquid and separates it from methane;
In the absorption separation device, a reformer that decomposes methane separated from the ammonia and / or hydrogen sulfide to generate hydrogen ;
A decomposing apparatus for decomposing the ammonia and / or hydrogen sulfide separated from methane by the absorption separating apparatus to generate hydrogen;
A fuel cell system including a power generation device that generates power with a fuel cell using hydrogen produced by the reformer and the cracking device as fuel ,
The fuel cell system, wherein the absorbing solution is an aqueous solution of a salt having a pH buffering property.
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