JPH0465066A - 燃料電池、炭酸ガス固定複合発電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池複合発電システムに炭酸ガス化固定変
換装置を組み合わせた燃料電池、炭酸ガス固定複合発電
方法に関する。

更に詳しくは燃料電池からの排ガスから、炭酸ガス分離
、濃縮装置を必要とぜず、炭酸ガスを主成分とするガス
を回収（２炭酸ガス電気分解により有用有機化合物を生
産し７、更にこの電解装置の正極に発生ずる酸素ガスも
有効活用できると共に、実質的に炭酸ガスを放散するこ
とのない燃料電池、炭酸ガス固定複合発電方法に関する
。

〔従来の技術〕

近年、地球規模環境に対する関心か急速に高まり、フロ
ン規制が実施され、更には地球温暖化に対する対策とし
て、炭酸ガス排出規制を求める動きが大きくなっている
。

燃料電池は、名称は電池であるが、発電装置であり、従
来の発電技術と異なり、燃料のもつ化学エネルギーを直
接電気エネルギーに変換する新しいタイプの発電装置で
ある。

この燃料電池自体は公知であり、現在研究開発中の主な
燃料電池にはリン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型等
がある。リン酸型は電解質にリン酸水溶液を使用し、燃
料に水素又は炭化水素の改質ガスを使用し、酸化剤とし
て空気を使用し、作動温度１７０〜２２０℃で発電する
。電極材料としては多孔質カーボン（白金触媒）を使用
している。

発電効率は３５〜４５％とされる。

溶融炭酸塩型は、電解質に炭酸塩を使用Ｉ２、燃料にＨ
２、Ｃｏ、炭化水素の改質ガス、石炭ガス等を使用し、
酸化剤として空気を使用し、作動温度６００〜７００℃
で発電する。電極材料には多孔質ニッケル等が使用され
、白金触媒は不要である。

発電効率は４５〜６０％とされる。

固体電解質型は、電解質に安定化ジルコニアを使用し、
燃料にＨ２、ＣＯ１炭化水素の改質ガス、石炭ガス等を
使用し、酸化剤に空気を使用し、作動温度的ｌ０００℃
で発電する。電極材料には多孔質ニッケル等が使用され
、白金触媒は不要である。

発電効率は５０〜６０％とされている。

この燃料電池は、火力発電の場合、蒸気タービンを組み
合わせた最新鋭火力発電でも発電効率は約３８％とされ
ているのに対し、直接電気エネルギーに変換されるので
、発電効率は上記のように４０〜６０％が見込まれる。

排熱が利用可能で、７０〜・８０％の総合エネルギ効率
が得られる。

又小型でも、部分負荷運動でも効率の低下が少ない。ま
た燃料として化石燃料を用いる以上は改質操作が必要で
、このとき、脱硫、ばいじん除去を十分に行うのでＳＯ
Ｘやばいじんの放出は殆どない。この改質操作もそれ程
、高温でないのでＮＯｘの放出も少ない。

地球温暖化で問題となっているＣｏ２の発生も発電効率
が高い分、発生が少ないとされる。

また機械部分が少ないので騒音、振動などの発生が少な
い。

設備のモジュール化で建設工期が短い、等の利点がある
。

これらの燃料電池の開発状況については、電気評論誌１
９９０年３月号燃料電池の現状と将来、又固体電解質型
燃料電池の開発状況等に紹介されてぃる。

燃料電池では、ＣＯ２の発生も発電効率の高い分だけ発
生が少ないとされてはいるが、使用した炭素源に見合う
だけのＣＯ２は発生するのであり、また酸化剤として空
気を使用するので、空気中の窒素により排ガス中のＣ０
２は１５％程度にしかならず、ＣＯ２固定化のためには
、ＣＯ□の分離、濃縮装置が必要となる。従って燃料電
池を用いたとしても、排ガス中のＣＯ□の固定化はコス
ト的に極めて困難である。

一方、炭酸ガスの電気分解による固定についても、この
技術自体は報告されている。化学誌４５巻２号（１９９
０年）には、二酸化倹素の電気化学還元による固定と再
資源化として、銅電極を用いてＣＯ２を還元するとメタ
ン、エチレン、エタノールが生成することが述べられて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、燃料電池からの排ガスから炭酸ガス分
離、濃縮工程を経ることなく、実質的に炭酸ガスよりな
るガスを回収し、炭酸ガスの電気分解に、深夜余剰電力
を用いる場合以外は、交流電源からの整流装置を用いず
に直流電流が得られ、また該電解装置の正極に発生する
酸素ガスを有効活用できると共に、全システムとして実
質的に外部に炭酸ガスを放散することのない又は炭酸ガ
スの放散を大巾に低減できる燃料電池、炭酸ガス固定複
合発電方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第１の態様は、 実質的に一酸化炭素、水素、炭化水素よりなる群より選
んだ少なくとも一種のガスを燃料ガスとし、実質的に酸
素ガスを正極に供給して燃料電池により発電し、排ガス
タービン、排熱回収ボイラによる蒸気タービンにより発
電すると共に、排ガスより水蒸気を除いた実質的に炭酸
ガスよりなるガスを、燃料電池、太陽光電池、光エネル
ギーと半導体陰極による発電、深夜電力の整流電流より
選んだ少なくとも１種による直流電流により炭酸ガス電
気分解を行い、炭化水素類及び／又はアルコール類を製
造すると共に正極に発生した酸素を、酸素発生装置より
の酸素と合せて、燃料電池の正極に供給することを特徴
とする実質的に炭酸ガスを放散することのない又は炭酸
ガスの放散を大巾に低減できる燃料電池、炭酸ガス固定
複合発電方法である。

本発明の第２の態様は、 石炭を実質的に酸素ガスにより石炭ガス化炉でガス化し
、ガス冷却、脱塵、脱硫した実質的に一酸化炭素と水素
よりなる燃料ガスを負極に供給し、実質的に酸素ガスよ
りなるガスを正極に供給して燃料電池により発電し、排
ガスタービン、排熱回収ボイラによる蒸気タービンによ
り発電すると共に、排ガスより水蒸気を除いた実質的に
炭酸ガスよりなるガスを、燃料電池、太陽光電池、光エ
ネルギーと半導体陰極による発電、深夜電力の整流電流
より選んだ少なくとも１種による直流電流により炭酸ガ
ス電気分解を行い、炭化水素類及び／又はアルコール類
を製造すると共に、正極に発生した酸素を酸素発生装置
よりの酸素と合せて、石炭ガス化炉用の酸素、燃料電池
の正極用酸素として使用することを特徴とする実質的に
炭酸ガスを放散することのない又は炭酸ガスの放散を大
巾に低減できる石炭ガス化ガス利用燃料電池、炭酸ガス
固定複合発電方法である。

本発明の第３の態様は、 天然ガス及び／又は液化石油ガスを改質装置により、水
素、一酸化炭素を主成分とするガスにして供給するか、
又は改質装置を経ることなく直接に燃料電池の負極に供
給し、実質的に酸素ガスを正極に供給して、燃料電池に
より発電し、排ガスタービン、排熱回収ボイラによる蒸
気タービンにより発電すると共に、排ガスより水蒸気を
除いた実質的に炭酸ガスよりなるガスを、燃料電池、太
陽光電池、光エネルギーと半導体陰極による発電、深夜
電力の整流電流より選んだ少なくとも１種による直流電
流により、炭酸ガス電気分解を行い、炭化水素類及び／
又はアルコール類を製造すると共に正極に発生した酸素
を、酸素発生装置よりの酸素と合せて、燃料電池の正極
に供給することを特徴とする実質的に炭酸ガスを放散す
ることのない又は炭酸ガスの放散を大１１に低減できる
燃料電池、炭酸ガス固定複合発電方法である。

燃料電池用燃料ガスとしては、化石燃料としては、世界
的に遍在することなく豊富にあり、埋蔵寿命と１７でも
最も長い石炭をガス化した実質的に一酸化炭素と水素よ
りなるガスか第一に考えられる。【、かじ、メタンを主
成分とする天然ガス又はプロパン、ブタンを主成分とす
る液化石油ガス等を改質して、実質的に水素、一酸化炭
素よりなるガスとしたものも用いられる。１９．かし天
然ガスを改質装置を使わずに直接使用する試験が行なわ
れ、当初はカーボン生成のため電池性能は急激に低下し
たが、燃料電極および燃料供給通路の改造により性能の
低下が防止できたことが報告されているので、改質装置
を経ることなく直接に燃料電池に供給してもよい。

要は実質的に一酸化炭素よりなるガス、実質的に水素よ
りなるガス、実質的に炭化水素よりなるガスより選んだ
１種又ζよ２種以上のガスが使用できる。

燃料電池と１．では、作動温度の高い溶融炭酸塩型（以
下ＭＣＦＣと略称することがある）や、固体電解質型（
ＳＯＦＣと略称するこ古かある）が排ガスター−ビンや
蒸気ガスタービン等により発電を含めた複合プラントと
し、ての効率か高くなるので好ましい。

また固体電解質型は、水素、一酸化炭素の化炭化水素を
直接燃料と【７て使え、また不純物（特に硫黄）に強く
、石炭ガス化ガスにも適する。

本発明の特徴は燃料電池用酸化剤に実質的に酸素よりな
るガスを使用することである。実質的１、。

酸素よりなるガスとは後述の酸素製造装置より得られる
、９８％以１の純度の酸素をいう（以後単１′酸素とい
う）。

燃料ガス５として石炭ガス化ガスを使用する場合には、
ガス化剤としても空気ではなく酸素を使用する。

これらに、酸素を用いることにより、燃１電池の排ガス
成分は大半ＣＯ２とＨ，Ｏとなるため、そ【５てＩ（２
０の分離は容易であるため、そのままＣＯ，固定化装置
に導くことができ、ＣＯ□固定化のため、大量のＮ２ガ
ス等からのＣＯ７分離、濃縮装置は不要古なる。

従って、排ガスは系内で処理できるので、緊急用を除き
煙突を省略できる可能性がある。

酸素は、圧力スイング式＠着法（Ｐ　Ｓ　Ａ法）即ちゼ
オライト等の吸着剤を用いて、圧力をスイングさせ、酸
素を吸脱着させ酸素を空気より分離する方法や膜分離法
等により、空気中より酸素を分離する酸素製造装置を用
いて製造する。ＣＯ２固定化装置の電気分解により正極
より発生する酸素も一部として利用する。

燃料ガスとして、石炭ガス化用ガスを使用する場合には
、このガスの主成分はＣＯとＮ２であるが、その他燃料
電池の性能劣化をきたす硫黄分やばいじんが含まれるた
め、これらを除去する必要がある。硫黄分については脱
硫装置例えばハニカム固定床法等により除去でき、５Ｏ
ＦＣの場合は出口Ｈ２Ｓ濃度１１００ｐｐ以下、ＭＣＦ
　ｃノ場合ハ１ＯｐＩ）１以下を目標とすることが好マ
１７い。ばいじんについては、集塵装置例えばセラ；ツ
クフィルター等により出口ばいじん１０ｍｇ　／　Ｎ　
ｍ　’以下を目標に除去する。

燃料電池の運転温度は５ＯＦＣの場合は約］、、０００
℃、ＭＣＦＣの場合は６００〜・７００℃であるため、
石炭ガス化ガスは予熱器により熱交換し、所定の温度と
し、燃料電池の燃料極に導かれる。

また燃料極からのガスは予熱器により再度熱交換されガ
スタービンに導かれる。

酸素製造装置やＣＯ２固定化装置からの酸素は、圧縮機
により昇圧され石炭ガス化用ガス化剤、燃料電池用酸化
剤に用いられる。

燃料電池用酸化剤用酸素は、予熱器により熱交換され、
燃料電池の酸素極に導かれる。また酸素極は温度調整の
ため再循環ブロワが設置されている。

燃料電池からのガスはガスタービンに導かれ、ガスター
ビンを駆動させた後、排熱回収ボイラにより熱交換【、
ｔ：後、１００℃以下としＮ２０を分離して、ＣＯ２固
定化装置に導く。

排熱回収ボイラからの蒸気は蒸気タービンを駆動させ、
ガスタービンと共に夫々発電させる。

排熱回収ボイラからの排ガスは、１００℃以下としてＮ
２０を除去した後は実質的にＣＯ２であり、ＣＯ２固定
化装置に導く。ＣＯ２固定化装置は電気分解によりＣＯ
２をアルコール類、炭化水素類に変換し、ＣＯ２を有用
物質として利用するものである。電極としては金属電極
あるいは半導体電極等を用いる。金属電極の場合は、陽
極に白金、チタン等を使用し、陰極に銅、パラジウム等
を用いる。

また半導体電極としては陰極に酸化銅、炭化珪素、ガリ
ウムリン等が用いられる。これらの電極のうち、陽極か
らは酸素が、陰極からはアルコール類、炭化水素類、水
素等が生成される。

陽極からの酸素は、石炭ガス化用ガス化剤、燃料電池用
酸化剤として利用され、陰極からのアルコール類、炭化
水素類は工業原料として利用される。

ＣＯ２固定化装置の電気分解のためには、直流の電気エ
ネルギーが必要であるが、これは燃料電池と太陽光電池
ひ光エネルギーと半導体陰極による発電、深夜余剰電力
の整流電流より選んだ少なくとも１種により供給される
。太陽光電池あるいは電気分解用電極に半導体電極を用
いることで太陽光エネルギーが利用でき、一種の人工光
合成システムによるＣＯ２固定化技術として活用できる
。

また電力は貯蔵しにくいエネルギーであるが、深夜電力
が余剰となっている。この深夜電力を利用してＣ０２を
有用物質に転換し、化学合成の原料とすることができる
。このように太陽光による電力や深夜電力のような時間
的に利用が限られたエネルギーの活用がＣＯ２の電解還
元による固定技術によって可能となるであろうことは既
に提案されているが、Ｃｏ２の固定にとって最大の難関
は濃度のうすいＣｏ２をいかにして分離、濃縮するかで
あり、これを経済的に可能にする技術がなければ、Ｃ０
２固定化技術も生きてこない。本発明はこの難関を解決
するものである。

本発明は地球温暖化の原因とされる炭酸ガス放散を大巾
に低減できる発電システムに道を拓くものである。

〔実施例〕

以下に実施例によって、本発明を更に具体的に説明する
が、本発明はこの実施例によって同等限定されるもので
はない。

（実施例１） 石炭ガス化ガスを利用した燃料電池とＣＯ２固定化技術
を組み合わせた複合発電システムを第１図のフローシー
トについて説明する。

石炭１を粉砕して微粉炭とし、ガス化剤として９８％以
上の酸素２を用いて石炭ガス化炉３に供給し、１０００
〜１８００℃、１５〜３０　ａｔａの圧力でガス化を行
った。ガスは熱回収ボイラーによるガス冷却器４で冷却
し、蒸気は蒸気タービン５に供給する。

ガスは更にセラミックフィルター６により脱じんし、更
にハニカム固定床法により脱硫し、Ｈ，Ｓを１１００ｐ
ｐ以下にした。このガスはＣＯ６１，３Ｖｏ１％、Ｈ２
３１，ＯＶ　ｏｆ％、ＣＯ□３．３　Ｖｏ１％、Ｈ２Ｏ
０，３Ｖｏ１％、Ｎ２＋Ａ　ｒ　　３．９　Ｖｏ１％、
Ｈ２Ｓ（１，［１ｌＶｏ１％であった。

このガスを予熱器８により１０００℃に昇温し、１゜ａ
ｔａの圧力で５ＯＦＣ燃料電池９の燃料極に供給する。

ＰＳＡ酸素製造装置１０で製造した９８．５％の酸素を
一部を石炭ガス化炉用に使用し、残りを圧縮して、予熱
し、燃料電池９の正極に供給する。

燃料極より出るＣＯ２とＮ２０を主成分とする排ガスは
、正極の余剰の酸素ガスと共にガスタービン１１により
発電すると共に、排熱回収ボイラ１２により水蒸気を発
生させ、蒸気タービン５を駆動して、発電する。本シス
テムでは、従来の様な大型煙突は不要であるが、酸素中
の微量のＮ２、Ａ「等の系内蓄積を防いでＣ０２濃度を
高く保持するため、一部抜取排ガス用の小型煙突でよい
。

排熱回収ボイラーを出た排ガスは、１００℃以下に冷却
することによってＮ２０を容易に除去できるので、Ｃ０
２を主成分とするガスとして、ＣＯ２変換装ｆｉｔ（固
定化装置）　１３の負極に供給する。ＣＯ□変換装置１
３では直流電源により電気分解してＣＯ２をメタン、エ
チレン、エタノール等に変換する。正極からは酸素を発
生するので、酸素製造装置１１０よりの酸素と合わせて
、燃料電池、石炭ガス化炉用に使用する。

この直流電源としては、燃料電池の直流電流か利用でき
るが、ＣＯ２を還元するのに、化石燃料を燃やして得た
電力を用いたのでは意味がないので、昼間の太陽光電池
による太陽光発電１６による直流、Ｃ０２電気分解の陰
極に半導体電極を使用し、これに光エネルギーを与えて
発電した直流や深夜電力を整流した直流電源より選んだ
１種又は２種以上をＣＯ２変換装置に組み合わせること
によって、時間的に限られた電力を有効活用することが
できる。

（実施例２） 天然ガスを利用した燃料電池とＣＯ２固定化技術を組み
合わせた複合発電システムを第２図のフローシートにつ
いて説明する。

天然ガスを改質装置１４によって、水素と一酸化炭素を
主成分とするガスに改質し、予熱器８を経て、１ｏｏｏ
℃、１０　ａｔａで５ＯＦＣ燃料電池９の燃料極に供給
する。ＰＳＡ酸素製造装置１０で製造した９８．５％の
酸素を圧縮機１５で圧縮して燃料電池の正極に供給する
。

排ガスはガスタービンｌｌを駆動させ発電し、更に排熱
回収ボイラ１２で水蒸気を発生させ、蒸気タービン５を
駆動させ発電する。

排熱ボイラ１２を出た排ガスは１００℃以下に冷却する
ことによって、Ｈ２Ｏを除去し、ＣＯ□を主成分とする
ガスをＣＯ□変換装置１３の負極に供給し、直流電流に
より電気分解を行って、メタン、エチ１ノン、エタノー
ル等を得る。

この他は実施例１と同様である。

〔発明の効果〕

本発明においては、燃料電池の正極および石炭ガス化炉
に対して、実質的に酸素よりなるガスを供給するので、
これら装置での効率が向上すると共に、排ガスが実質的
に炭酸ガスと水蒸気よりなるガスとすることができ、水
蒸気の分離は容品であることから、排ガス中のＣＯ２ガ
スの固定化技術で最もコスト的に困難であったＣＯ２の
分離、濃縮を不要とし、燃料電池とＣ０２変換装置の組
み合わせを可能にすることができた。

Ｃ０２ガスは、ガスタンク容量程度の貯留が可能である
ことから、ＣＯ２変換装置に昼間の太陽光電池、深夜電
力よりの電力等を利用することが可能であり、燃料電池
からの直流電力の使用を節減することができる。従って
人工的な光合成を行わせることができる。ＣＯ□電解装
置の陰極に半導体電極を使用することにより光エネルギ
ーを供給して光電気分解を行わしめることもできる。

本発明は、地球温暖化の原因とされる炭酸ガス放散を大
巾に低減できる発電システムに道を拓くものである。

−１−である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）実質的に一酸化炭素、水素、炭化水素よりなる群
   より選んだ少なくとも一種のガスを燃料ガスとし、実質
   的に酸素ガスを正極に供給して燃料電池により発電、排
   ガスタービン、排熱回収ボイラによる蒸気タービンによ
   り発電すると共に、排ガスより水蒸気を除いた実質的に
   炭酸ガスよりなるガスを、燃料電池、太陽光電池、光エ
   ネルギーと半導体陰極による発電、深夜電力の整流電流
   より選んだ少なくとも１種による直流電流により炭酸ガ
   ス電気分解を行い、炭化水素類及び／又はアルコール類
   を製造すると共に正極に発生した酸素を、酸素発生装置
   よりの酸素と合せて、燃料電池の正極に供給することを
   特徴とする実質的に炭酸ガスの放散のない又は炭酸ガス
   の放散を大巾に低減できる燃料電池、炭酸ガス固定複合
   発電方法。
2. （２）石炭を実質的に酸素ガスにより石炭ガス化炉でガ
   ス化し、ガス冷却、脱塵、脱硫した実質的に一酸化炭素
   と水素よりなる燃料ガスを負極に供給し、実質的に酸素
   ガスよりなるガスを正極に供給して燃料電池により発電
   し、排ガスタービン、排熱回収ボイラによる蒸気タービ
   ンにより発電すると共に、排ガスより水蒸気を除いた実
   質的に炭酸ガスよりなるガスを、燃料電池、太陽光電池
   、光エネルギーと半導体陰極による発電、深夜電力の整
   流電流より選んだ少なくとも１種による直流電流により
   炭酸ガス電気分解を行い、炭化水素類及び／又はアルコ
   ール類を製造すると共に、正極に発生した酸素を酸素発
   生装置よりの酸素と合せて、石炭ガス化炉用の酸素、燃
   料電池の正極用酸素として使用することを特徴とする実
   質的に炭酸ガスの放散のない又は炭酸ガスの放散を大巾
   に低減できる石炭ガス化ガス利用燃料電池、炭酸ガス固
   定複合発電方法。
3. （３）天然ガス及び／又は液化石炭ガスを改質装置によ
   り、水素、一酸化炭素を主成分とするガスにして供給す
   るか、又は改質装置を経ることなく直接に燃料電池の負
   極に供給し、実質的に酸素ガスを正極に供給して、燃料
   電池により発電し、排ガスタービン、排熱回収ボイラに
   よる蒸気タービンにより発電すると共に、排ガスより水
   蒸気を除いた実質的に炭酸ガスよりなるガスを、燃料電
   池、太陽光電池、光エネルギーと半導体陰極による発電
   、深夜電力の整流電流による直流電流により、炭酸ガス
   電気分解を行い、炭化水素類及び／又はアルコール類を
   製造すると共に正極に発生した酸素を、酸素発生装置よ
   りの酸素と合せて、燃料電池の正極に供給することを特
   徴とする実質的に炭酸ガスの放散のない又は炭酸ガスの
   放散を大巾に低減できる燃料電池、炭酸ガス固定複合発
   電方法。