JPWO2019151461A1 - バイオマスガス化発電システム及び発電方法 - Google Patents

Abstract

バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成するガス生成装置と、該ガス生成装置により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する内燃機関と、該内燃機関で生成した動力から電力を生成する発電機と、を備えた発電システムであって、前記発電システムが、水電解により酸素及び水素を生成する水電解装置を更に備え、前記ガス化剤が、前記水電解装置で生成した酸素を含み、前記燃料ガスが、前記水電解装置で生成した水素を含み、前記ガス化剤中の酸素濃度が、２２体積％以上４０体積％以下である、バイオマスガス化発電システム。

Description

本発明は、バイオマスガス化発電システム及び発電方法に関する。

生物由来資源であるバイオマスをガス化して利用する方法が提案されている。より詳細には、バイオマスに、空気、酸素又は水蒸気等からなるガス化剤をガス化炉に投入してガス化すると、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を主成分として含む合成ガスが生成する。生成した合成ガスは、内燃機関の燃料として利用される。ここで、上記のガス化により、通常、合成ガスとともに、炭化水素であるタール等の副生物が同時に生成する。生成したタール等は、上記のガス化炉における機器及び配管の目詰まりの原因となる等、副生物が生じることに起因する問題が生じる。

特許文献１には、バイオマス又は有機性廃棄物を所定温度で炭化処理して得た炭化物を得る炭化装置と、この炭化装置により得られた炭化物と、水蒸気と、空気とを熱分解ガス化炉内に投入して可燃性ガスを得る熱分解ガス化装置とを備えた熱分解ガス化システムが開示されている。この文献には、有機性廃棄物の性状に応じた炭化処理を行うため、タール分の発生が抑制され、収率が高い等の最適な性状の可燃性ガスが得られること、更にはこの可燃性ガスは、内燃機関を駆動源として発電機を駆動可能であり、コンパクトで安価な装置により中小規模で発電できることが開示されている。また、この文献には、生成される可燃性ガスの濃度を高めるために、空気に代えて、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）により生成した酸素富化空気を投入してもよいことが開示されている。

特許文献２には、間欠性再生可能エネルギー源を利用して、水素及び酸素を生産するためのエネルギーを発生させるステップと、エネルギーの少なくとも一部分を生産システムに移動させて、水素及び酸素を生産するステップと、水素を水素運搬システムから発電システム又は水素貯蔵システムのうちの少なくとも１つに運搬するように構成された水素運搬システムに対して水素の少なくとも一部分を導くステップと、酸素の少なくとも一部分を、酸素を酸素運搬システムからバイオマスガス化システムへ運搬するように構成された酸素運搬システムに導いて、バイオマス原料の部分酸化によって合成ガスを生産するステップと、合成ガスの少なくとも一部分を発電システムに導いて、それによって電力を生産するステップとを含む水素と電力の共生産方法が開示されている。

特開２００４−０３５８３７号公報 特表２００７−５２５５５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱分解ガス化システムでは、タール分の発生を抑制する等の観点から、バイオマス等をガス化に最適な性状とするために３００℃以上の高温で炭化処理をする必要があり、システム全体でのエネルギー効率は十分ではない。また、この文献では、内燃機関により生成した可燃性ガスから動力を生成し、生成した動力を利用して発電機を駆動しているが、発電システムとして実用化するためには一層動力を向上させる必要がある。

特許文献２に記載の水素と電力の共生産方法については、実施例で実証されておらず、共生産方法に用いられる酸素における酸素濃度について検討されていない。

そこで、本発明は、バイオマスから可燃性ガスを生成する際に、可燃性ガスの収率を向上できるとともに、発電機を駆動するための動力を一層向上可能な発電システム及び発電方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意研究を進めた結果、バイオマスを利用して電力を生成する発電システムにおいて、水電解により生成した酸素を、バイオマスから可燃性ガスを生成するためのガス化剤として含め、かつ水電解により生成した水素を、動力を生成するための燃料ガスとして、上記可燃性ガスとともに含め、ガス化剤中の酸素濃度を所定範囲内とする構成とすると、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
具体的には、下記手段により、達成された。
＜１＞ バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成するガス生成装置（ガス生成手段）と、該ガス生成装置により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する内燃機関と、該内燃機関で生成した動力から電力を生成する発電機と、を備えた発電システムであって、前記発電システムが、水電解により酸素及び水素を生成する水電解装置を更に備え、前記ガス化剤が、前記水電解装置で生成した酸素を含み、前記燃料ガスが、前記水電解装置で生成した水素を含み、前記ガス化剤中の酸素濃度が、２２体積％以上４０体積％以下である、バイオマスガス化発電システム。
＜２＞ 前記水電解装置で生成した酸素を前記ガス生成装置に供給する酸素供給装置（酸素供給手段）と、前記水電解装置で生成した水素を前記内燃機関に供給する水素供給装置と、を更に備える、＜１＞に記載のバイオマスガス化発電システム。
＜３＞ 前記バイオマスが、植物由来のバイオマスである、＜１＞又は＜２＞に記載のバイオマスガス化発電システム。
＜４＞ 前記植物由来のバイオマスが、木質系バイオマス、草本系バイオマス、植物残滓及び食品残渣の少なくとも１種を含む、＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載のバイオマスガス化発電システム。
＜５＞ 前記バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上である、＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載のバイオマスガス化発電システム。
＜６＞ 前記バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上６０質量％以下である、＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載のバイオマスガス化発電システム。
＜７＞ 前記燃料ガス中の水素濃度が、１５体積％以上５０体積％以下である、＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載のバイオマスガス化発電システム。
＜８＞ バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成するガス生成工程と、該ガス生成工程により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する動力生成工程と、該動力生成工程により生成した動力から電力を生成する電力生成工程と、を含む発電方法であって、前記発電方法が、水電解により酸素及び水素を生成する水電解工程を更に含み、前記ガス化剤が、前記水電解工程により生成した酸素を含み、前記燃料ガスが、前記水電解工程で生成した水素を含み、前記ガス化剤中の酸素濃度が、２２体積％以上４０体積％以下である、発電方法。
＜９＞ 前記ガス生成工程が、ガス生成装置により行われ、前記動力生成工程が、内燃機関により行われ、前記発電方法が、前記水電解工程により生成した酸素を前記ガス生成装置に供給する酸素供給工程と、前記水電解工程により生成した水素を前記内燃機関に供給する水素供給工程とを更に備える、＜８＞に記載の発電方法。
＜１０＞ 前記バイオマスが、植物由来のバイオマスである、＜８＞又は＜９＞に記載の発電方法。
＜１１＞ 前記植物由来のバイオマスが、木質系バイオマス、草本系バイオマス、植物残滓及び食品残渣の少なくとも１種を含む、＜８＞〜＜１０＞のいずれか１つに記載の発電方法。
＜１２＞ 前記バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上である、＜８＞〜＜１１＞のいずれか１つに記載のバイオマスガス化発電システム。
＜１３＞ 前記バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上６０質量％以下である、＜８＞〜＜１１＞のいずれか１つに記載の発電方法。
＜１４＞ 前記燃料ガス中の水素濃度が、１５体積％以上５０体積％以下である、＜８＞〜＜１３＞のいずれか１つに記載の発電方法。
＜１５＞ ＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載のバイオマスガス化発電システムを用いる、＜８＞〜＜１４＞のいずれか１つに記載の発電方法。

本発明のバイオマスガス化発電システムは、バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成するガス生成装置（ガス発生手段）と、ガス生成装置により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する内燃機関と、内燃機関で生成した動力から電力を生成する発電機と、を備えた発電システムである。発電システムは、水電解により酸素及び水素を生成する水電解装置を更に備え、ガス化剤は、水電解装置で生成した酸素を含み、燃料ガスは、水電解装置で生成した水素を含む。ガス化剤中の酸素濃度は、２２体積%以上４０体積％以下である。

特許文献１に記載の熱分解ガス化システムは、バイオマスをガス化に最適な性状とするために３００℃以上の高温で炭化処理をする必要があることから、炭化装置が必須である。このため、特許文献１に記載の熱分解ガス化システムでは、システム全体が大型化したり、複雑化したりするのに加え、バイオマスの炭化にエネルギーを消費するためエネルギー効率が十分ではないという問題がある。これに対し、本発明のバイオマスガス化発電システムは、水電解装置により生成した酸素を、バイオマスから可燃性ガスを生成するためのガス化剤として含める構成とする。これにより、本発明のバイオマスガス化発電システムは、炭化装置を必要とすることなく、バイオマスを安定的にガス化でき、その結果、システム全体を小型化したり、簡略化したりすることができる。また、本発明のバイオマスガス化発電システムは、水電解を利用してガス化剤中の酸素濃度を高めることにより、ガス化剤中の窒素濃度を下げることができ、可燃性ガスの収率を向上できる。また、特許文献１に記載の熱分解ガス化システムでは、生成した可燃性ガスから、動力を生成し、生成した動力を利用して発電機を駆動しているが、発電システムとして実用化するためには一層動力を向上させる必要がある。これに対し、本発明のバイオマスガス化発電システムは、水電解により生成した水素を、動力を生成するための燃料ガスとして含める構成とすることにより、発電機を駆動するための動力を向上させることができる。また、本発明のバイオマスガス化発電システムは、水電解装置により生成した酸素を、上記ガス化剤として含めることにより、バイオマスから可燃性ガスへの生成を効率よく行うことができるため、例えば、タール等の副生物の発生を抑制できる。

また、特許文献１には、生成する可燃性ガスの濃度を高めるために、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）により生成した酸素富化空気を投入してもよいことが開示されている。圧力スイング吸着装置は、高圧の条件下による吸着剤の吸着と、低圧の条件下による脱着とを繰り返すことにより、酸素ガス、水素ガス等の特定のガスの選択的回収を行う装置である。そこで、特許文献１のように、可燃性ガスの濃度を高めるために、圧力スイング吸着装置を利用することも考えられる。しかしながら、圧力スイング吸着装置を利用したシステムは、上記のガスの選択的回収を行うために吸着槽を複数設けたり、吸着槽により取り出されたガスを貯蔵するためのバッファタンクを設けたりする必要があるため、小型化に対応しにくいという問題点がある。また、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）を利用したシステムは、酸素ガスを選択的に回収する酸素ガス用の圧力スイング吸着装置と、水素ガスを選択的に回収する水素ガス用の圧力スイング吸着装置の２種類を用意する必要があり、小型化に一層対応できないだけでなく、システム全体としてのコスト、生産効率等が十分ではないという問題点も生じる。これに対し、本発明では、生成する可燃性ガスの濃度を高めるために、水電解装置を用いており、水電解槽の大きさを適宜調整することにより水電解装置の小型化に対応可能であることから、バイオマスガス化発電システム全体としての小型化が可能である。また、本発明では、水電解装置により酸素ガスと水素ガスとを生成可能であり、酸素ガス生成用と水素ガス生成用とで個別に生成装置を用意する必要もないため、コスト、生産効率に優れるという利点も備える。

本発明のバイオマスガス化発電システムにおいて、ガス化剤中の酸素濃度は、２２体積％以上４０体積％以下である。バイオマスガスとガス化剤との反応は、通常、バイオマスガス中の炭化水素が、ガス化剤中の酸素により酸化反応して、可燃性ガスである一酸化炭素を生成する。このため、本発明のバイオマスガス化発電システムは、ガス化剤中の酸素濃度が、２２体積％以上であると、上記の酸化反応が進行し易くなり、可燃性ガスの収率を一層向上できる。一方、ガス化剤中の酸素濃度が、４０体積％以上となるとバイオマスガス中の炭化水素が更に酸化反応して不燃性ガスである二酸化炭素を生成し易くなり、可燃性ガスの収率が低下しやすい。また、ガス化剤中の酸素濃度が４０体積％以下であると、ガス生成装置での局所的な燃焼が起こりにくく、安定したガス化を達成する事ができる。このため、本発明のバイオマスガス化発電システムは、ガス化剤中の酸素濃度が上記範囲内であることにより、可燃性ガスの収率を向上できるとともに、発電機を駆動するための動力を一層向上可能である。

本発明のバイオマスガス化発電システムは、水電解装置で生成した酸素をガス生成装置に供給する酸素供給装置（酸素供給手段）と、水電解装置で生成した水素を内燃機関に供給する水素供給装置（水素供給手段）と、を更に備えることが好ましい。本発明のバイオマスガス化発電システムは、酸素供給装置及び水素供給装置をそれぞれ備えることにより、水電解装置で生成した水素及び酸素を、それぞれ漏れがないように安定にガス生成装置及び内燃機関に供給できるため、可燃性ガスの収率を一層向上できるとともに、発電機を駆動するための動力を一層向上できる。
尚、酸素供給装置及び水素供給装置をそれぞれ備えるとは、酸素供給を行う部分と、水素供給を行う部分が独立していることを意味し、両者が同じ装置の中に独立して配置されている場合も含むことは言うまでもない。

水電解装置は、太陽光発電や風力発電等の変動電源により生成した電力を利用して水電解することが好ましい。本発明のバイオマスガス化発電システムは、水電解装置が変動電源により生成した電力を利用して水電解することにより、水電解装置を駆動するために必要な外部からの電力消費量を抑制できるため、バイオマスガス化発電システム全体でのエネルギー効率を一層向上することができる。また、本発明のバイオマスガス化発電システムで生成する電力は制御可能であることから、変動電源により生成した変動電力を使って制御電力を生成することができる。

バイオマスは、植物由来のバイオマスであることが好ましい。本発明のバイオマスガス化発電システムは、バイオマスとして、植物由来のバイオマスを用いると、可燃性ガスの収率を一層向上できる。

バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上であることが好ましく、また、６０質量％以下であることが好ましい。水含有量が大きいバイオマスを用いると、水含有量が大きいことに起因して、例えば、バイオマス及びガス化剤を反応させる反応系の温度を一層高める必要があり、更には反応系において局所的に温度が低下する虞がある。これに対し、本発明のバイオマスガス化発電システムは、バイオマス中の水含有量が６０質量％以下であると、反応系の温度を過度に高める必要がなく、更には局所的に温度が低下しにくく円滑に反応が進行し易いため、システム全体でのエネルギー効率を一層向上できるとともに、可燃性ガスの収率を一層向上できる。上記反応を円滑に進行し易い観点から、バイオマス中の水含有量が小さい方が好ましいが、バイオマス中の水含有量を限りなく小さくするための水分を除去する処理に煩雑な処理工程を要する。これに対し、本発明のバイオマスガス化発電システムでは、バイオマス中の水含有量を１０質量％以上含んでいても、十分に上記反応が円滑に進行し、システム全体でのエネルギー効率を一層向上でき、可燃性ガスの収率を一層向上できる。したがって、バイオマス中の水含有量が１０質量％以上であることは、複雑な処理工程を必要とせず、製造コストを削減できる観点から有利である。

本明細書において、バイオマス中の水含有量は、下記式で表される湿量基準により算出される。
水含有量（質量％）＝Ｘ／Ｙ×１００
Ｘ：バイオマス中の水の質量
Ｙ：バイオマスの質量
この水含有量は、ガス生成装置に投入する直前の値であり、２５℃で測定される。

燃料ガス中の水素濃度は、１５体積％以上であることが好ましく、また、５０体積％以下であることが好ましい。本発明のバイオマスガス化発電システムは、燃料ガス中の水素濃度が１５体積％以上であると、発電機を駆動するための動力を一層向上させることができる。一方、燃料ガス中の水素濃度が５０体積％以下であると、内燃機関で安定して燃焼させる事ができる。

本発明の発電方法は、バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成するガス生成工程と、ガス生成工程により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する動力生成工程と、動力生成工程により生成した動力から電力を生成する電力生成工程と、を含む発電方法である。発電方法は、水電解により酸素及び水素を生成する水電解工程を更に含み、ガス化剤は、水電解工程により生成した酸素を含み、燃料ガスは、水電解工程で生成した水素を含み、ガス化剤中の酸素濃度が、２２体積％以上４０体積％以下である。
尚、本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。
また、特に述べない限り、本発明の発電方法は、上述したバイオマスガス化発電システムと好ましい範囲等は同じである。

本発明の発電方法は、水電解工程により生成した酸素を、バイオマスから可燃性ガスを生成するためのガス化剤として含める構成とすることにより、バイオマス等を安定してガス化することができる。また、本発明のバイオマスガス化発電システムは、水電解を利用してガス化剤中の酸素濃度を高めることにより、ガス化剤中の窒素濃度を下げることができ、可燃性ガスの収率を向上する事ができる。これは、高温でバイオマス等に炭化処理をする方法と比較して、エネルギー消費量を抑制できるため、システム全体でのエネルギー効率を向上させることができる。更に、本発明のバイオマスガス化発電システムは、水電解工程により生成した水素を、動力を生成するための燃料ガスとして含める構成とすることにより、発電機を駆動するための動力を向上させることができる。

本発明の発電方法において、ガス化剤中の酸素濃度は、２２体積％以上４０体積％以下である。本発明の発電方法は、ガス化剤中の酸素濃度が２２体積％以上であると、酸化反応が進行し易くなり、可燃性ガスの収率を一層向上できる。一方、本発明の発電方法は、ガス化剤中の酸素濃度が４０体積％以下であると、ガス生成装置での局所的な燃焼が起こりにくく、安定したガス化を達成する事ができる。このため、本発明の発電方法は、ガス化剤中の酸素濃度が上記範囲内であることにより、可燃性ガスの収率を向上できるとともに、発電機を駆動するための動力を一層向上可能である。

ガス生成工程は、ガス生成装置により行われ、動力生成工程が、内燃機関により行われることが好ましい。また、発電方法は、水電解工程により生成した酸素をガス生成装置に供給する酸素供給工程と、水電解工程により生成した水素を内燃機関に供給する水素供給工程とを更に備えることが好ましい。本発明の発電方法は、酸素供給工程及び水素供給工程をそれぞれ備えることにより、水電解工程により生成した水素及び酸素を、それぞれ漏れがないように安定にガス生成装置及び内燃機関に供給できるため、可燃性ガスの収率を一層向上できるとともに、発電機を駆動するための動力を一層向上できる。

水電解工程は、太陽光発電や風力発電等の変動電源により生成した電力を利用して水電解することが好ましい。本発明の発電方法は、水電解工程が変動電源により生成した電力を利用して水電解すると、水電解に必要な外部からの電力を抑制できるため、発電方法全体でのエネルギー効率を一層向上することができる。加えて、本バイオマスガス化発電システムで生成する電力は制御可能であることから、変動電源により生成した変動電力を使って制御電力を生成することができる。

バイオマスは、植物由来のバイオマスであることが好ましい。本発明の発電方法は、バイオマスとして、植物由来のバイオマスを用いると、可燃性ガスの収率を一層向上できる。

バイオマス中の水含有量は、１０質量％以上であることが好ましく、また、６０質量％以下であることが好ましい。本発明の発電方法は、バイオマス中の水含有量が６０質量％以下であると、反応系の温度を過度に高める必要がなく、更には局所的に温度が低下しにくく円滑に反応が進行し易いため、発電方法全体でのエネルギー効率を一層向上できるとともに、可燃性ガスの収率を一層向上できる。上記反応を円滑に進行し易い観点から、バイオマス中の水含有量が小さい方が好ましいが、バイオマス中の水含有量を限りなく小さくするための水分を除去する処理に煩雑な処理工程を要する。これに対し、本発明のバイオマスガス化発電システムでは、バイオマス中の水含有量を１０質量％以上含んでいても、十分に上記反応が円滑に進行し、システム全体でのエネルギー効率を一層向上でき、可燃性ガスの収率を一層向上できる。したがって、バイオマス中の水含有量が１０質量％以上であることは、複雑な処理工程を必要とせず、製造コストを削減できる観点から有利である。

燃料ガス中の水素濃度は、１５体積％以上であることが好ましく、また、５０体積％以下であることが好ましい。本発明の発電方法は、燃料ガス中の水素濃度が１５体積％以上であると、電力生成工程のための動力を一層向上させることができる。一方、本発明の発電方法は、燃料ガス中の水素濃度が５０体積％以下であると、内燃機関で安定して燃焼させる事ができる。

発電方法は、本発明の発電システムを用いることが好ましい。

本発明によれば、バイオマスから可燃性ガスを生成する際に、可燃性ガスの収率を向上できるとともに、発電機を駆動するための動力を一層向上可能な発電システム及び発電方法を提供可能である。

本発明のバイオマスガス化発電システムの構成の一例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について説明する。なお、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明は本実施形態のみに限定されない。

［バイオマスガス化発電システム１］
図１は、本実施形態のバイオマスガス化発電システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すバイオマスガス化発電システム１は、ガス生成装置２と、内燃機関３と、発電機４と、水電解装置５と、酸素供給装置６と、水素供給装置７とを備えている。ガス生成装置２は、バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成する。内燃機関３は、ガス生成装置２により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する。発電機４は、内燃機関３で生成した動力から電力を生成する。水電解装置５は、水電解により酸素及び水素を生成する。酸素供給装置６は、水電解装置５で生成した酸素をガス生成装置２に供給する。水素供給装置７は、水電解装置５で生成した水素を内燃機関３に供給する。尚、本実施形態において、酸素供給装置６及び水素供給装置７は、任意の構成要素である。

（ガス生成装置２）
ガス生成装置２としては、バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成可能であれば特に限定されない。ガス生成装置２の具体例としては、ガス化炉であることが好ましい。ガス化炉の形式としては、固定床形式、流動床形式、噴流床形式、ロータリーキルン式等が挙げられ、ガス化炉の形式は、装置コスト及び小型化の観点から、固定床形式であることが好ましい。固定床形式は、通常、バイオマス及びガス化剤が同一方向に流れるダウンドラフト式と、バイオマス及びガス化剤が逆方向に流れるアップドラフト式に分類され、固定床形式は、可燃性ガス中にタール等の副生物を生成しにくい観点から、ダウンドラフト式であることが好ましい。

ダウンドラフト式のガス化炉は、例えば、炉内最上部に形成された熱分解層と、熱分解層下に形成された燃焼層と、燃焼層下に形成された還元層とを含む。熱分解層では、２００〜６００℃の温度にて、バイオマスがメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水、チャー、タール、灰分等に熱分解される。燃焼層では、６００〜１３００℃の温度にて、チャー、タール、水素、一酸化炭素等が、一酸化炭素、二酸化炭素、水等に酸化される。還元層では、６００〜８００℃の温度にて、チャーが二酸化炭素や水と反応したり、メタンが水と反応したりすることにより、一酸化炭素及び水素等の可燃性ガスが生成される。

（内燃機関３）
内燃機関３としては、ガス生成装置２により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成可能であれば特に限定されない。内燃機関３の具体例としては、ガスエンジン、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン等が挙げられる。内燃機関３は、例えば、発電機４に接続した回転部と、回転部を回転させるための駆動軸とを備えている。内燃機関３が、燃料ガスを燃焼させて発生したエネルギーを駆動軸の回転エネルギーに変換し、回転部が回転することにより、発電機４が発電する。また、内燃機関３は、例えば、排ガスラインを備えており、内燃機関３は、燃料ガスを燃焼して生成される排ガスを排ガスラインから排出する。

（発電機４）
発電機４としては、内燃機関３で生成した動力から電力を生成可能であれば特に限定されない。発電機４は、例えば、内燃機関３の回転部と接続しており、内燃機関３で発生した回転エネルギーにより回転部が回転することにより発電する。

（水電解装置５）
水電解装置５としては、水電解により酸素及び水素を生成可能な装置であれば特に限定されない。水電解装置５は、例えば、アルカリ水溶液を電解質として水電解を行うアルカリ水電解装置、イオン交換膜を電解質として水電解を行う固体高分子水電解装置等が挙げられ、これらの装置は、例えば、市販の装置が用いられる。これらの中でも、生成効率の観点から、固体高分子水電解装置であることが好ましい。固体高分子水電解装置は、例えば、水電解槽と、水供給装置（水供給手段）と、電力供給装置（電力供給手段）と、第１の気液分離装置（第１の気液分離手段）と、第２の気液分離装置（第２の気液分離手段）とを備えていてもよい。水電解槽は、例えば、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に形成された金属電極とを有する水電解膜、並びに水電解膜により隔てられた陽極室及び陰極室を備えていてもよい。水供給装置は、例えば、水電解槽に水を供給する。電力供給装置は、例えば、水電解槽内の水電解膜の金属電極に電力を供給する。第１の気液分離装置は、例えば、水電解槽の陽極室において水の電気分解により発生した酸素と水との混合物を、酸素ガスと水とに分離する。第２の気液分離装置は、例えば、水電解槽の陰極室において水の電気分解により発生した水素と水との混合物を、水素ガスと純水とに分離する。固体高分子水電解装置が上記の構成である場合、水電解槽の陽極室で生成した酸素ガスは、水とともに第１の気液分離装置に流入し、第１の気液分離装置の分離室内において酸素ガスが水から分離されて分離室の上部に留まる。一方、水電解槽の陰極室で生成した水素ガスは、水とともに第２の気液分離装置に流入し、第２の気液分離装置の分離室内において水素ガスが水から分離されて分離室の上部に留まる。ここで、各気液分離装置で酸素ガス又は水素ガスと分離した水は、各分離室の底部側に留まり、排出弁を介して排出される。上記の固体高分子水電解装置は、このようにして、水から酸素及び水素を高純度で取り出すことができる。

（酸素供給装置６）
酸素供給装置６としては、水電解装置５で生成した酸素をガス生成装置２に供給可能であれば特に限定されない。酸素供給装置６は、例えば、水電解装置５とガス生成装置２とを連結し、水電解装置５で生成した酸素を供給する供給管を備えてもよい。酸素供給装置６は前記供給管と水電解装置の間に酸素を貯める為のタンクを備えていてもよい。酸素供給装置６は、必要に応じて、上記の供給管の途中に設けられ、酸素の供給を始動又は停止するための開閉弁と、上記の供給管の途中に設けられ、酸素の流量を計測するための流量計と、この流量計の計測値に基づいて酸素の流量を制御するための制御装置とを備えてもよい。

（水素供給装置７）
水素供給装置７としては、水電解装置５で生成した酸素を内燃機関３に供給可能であれば特に限定されない。水素供給装置７は、例えば、水電解装置５と内燃機関３とを連結し、水電解装置５で生成した水素を供給する供給管を備えてもよい。水素供給装置７は、上記供給管と水電解装置との間に水素を貯める為のタンクを備えていてもよい。水素供給装置７は、必要に応じて、上記の供給管の途中に設けられ、水素の供給を始動又は停止するための開閉弁と、上記の供給管の途中に設けられ、水素の流量を計測するための流量計と、この流量計の計測値に基づいて水素の流量を制御するための制御装置とを備えてもよい。

［発電方法］
本実施形態の発電方法は、例えば、図１に示すバイオマスガス化発電システム（バイオマスガス化発電装置）１を用いて行われる。但し、本実施形態の発電方法は、図１に示すバイオマスガス化発電システム（バイオマスガス化発電装置）１を用いることに限定されない。本実施形態の発電方法は、ガス生成工程と、動力生成工程と、電力生成工程と、水電解工程と、酸素供給工程と、水素供給工程とを含む。ガス生成工程は、例えば、ガス生成装置２により、バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成する。動力生成工程は、例えば、内燃機関３を利用して、ガス生成工程により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する。電力生成工程は、例えば、発電機４を利用して、動力生成工程により生成した動力から電力を生成する。水電解工程は、例えば、水電解装置５を利用して、水電解により酸素及び水素を生成する。酸素供給工程は、例えば、酸素供給手段６を利用して、水電解工程により生成した酸素をガス生成装置２に供給する。水素供給工程は、例えば、水素供給装置７を利用して、水電解工程により生成した水素を内燃機関３に供給する。尚、本実施形態において、酸素供給工程及び水素供給工程は、任意の構成要素である。

本実施形態の発電方法は、まず、水電解工程において、水電解装置５を利用して酸素及び水素を生成する。次に、酸素供給工程において、生成した酸素を、酸素供給装置６を介してガス生成装置２に供給することにより、生成した酸素が、バイオマスから可燃性ガスを生成するためのガス化剤に含まれる。次に、ガス生成工程において、ガス生成装置２により、バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成する。次に、水素供給工程において、生成した水素を、水素供給装置７を介して内燃機関３に供給することにより、生成した水素が、ガス生成工程により生成した可燃性ガスと共に燃料ガスに含まれる。次に、動力生成工程において、内燃機関３により、燃料ガスから動力を生成する。次に、電力生成工程において、発電機４により、動力生成工程により生成した動力を電力に生成する。

本実施形態の発電システム及び発電方法は、ガス化剤に、水電解装置５（水電解工程）により生成した酸素が含まれる構成とすることにより、ガス生成装置２（ガス生成工程）により生成した可燃性ガスの収率を向上できる。また、本実施形態の発電システム及び発電方法は、水電解を利用してガス化剤中の酸素濃度を高めることにより、バイオマス等をガス化に最適な性状としており、高温でバイオマス等に炭化処理をする方法と比較して、エネルギー消費量を抑制できるため、システム全体でのエネルギー効率を向上できる。更に、本実施形態の発電システム及び発電方法は、燃料ガスに、水電解装置５（水電解工程）により生成した水素が含まれる構成とすることにより、発電機４を駆動するための動力を向上できる。

（バイオマス）
本実施形態のバイオマスガス化発電システムに用いられるバイオマスとしては、再生可能な、生物由来の有機性資源で化石資源を除いたものを広く採用でき、植物由来のバイオマスであってもよく、動物由来のバイオマスであってもよいが、可燃性ガスの収率を一層向上する観点から、植物由来のバイオマスであることが好ましい。植物由来のバイオマスとしては、例えば、杉チップ、杉バーク、ホワイトペレット等の木質系バイオマス、竹、籾殻、バガス、ビートパルプ、麦わら、コーンストーバー、稲わら、キャッサバ滓等の草本系バイオマス、果実皮等の植物残滓、コーヒー焙煎滓、茶滓、小麦ふすま等の食品残渣等が挙げられる。
また、バイオマスは、廃棄物系バイオマス、未利用バイオマス及び資源作物等に分類することもできる。廃棄物系バイオマスには、廃棄される紙、家畜排せつ物、食品廃棄物、建設発生木材、製材工場残材、下水汚泥等が含まれ、未利用バイオマスには、稲わら・麦わら・もみ殻等が、資源作物には、さとうきびやトウモロコシなど、エネルギーや製品の製造を目的に栽培される植物が含まれる。
これらのバイオマスは、１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて用いられる。

バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上であることが好ましく、また、６０質量％以下であることが好ましい。本実施形態のバイオマスガス化発電システム及び発電方法は、バイオマス中の水含有量が６０質量％以下であると、反応系の温度を過度に高める必要がなく、更には局所的に温度が低下しにくく円滑に反応が進行し易いため、システム全体又は工程全体でのエネルギー効率を一層向上できるとともに、可燃性ガスの収率を一層向上できる。同様の観点から、バイオマス中の水含有量は、１３質量％以上であることがより好ましく、１５質量％以上であることが更に好ましい。バイオマス中の水含有量は、また、５０質量％以下であることがより好ましく、４０質量％以下であることが更に好ましい。

（ガス化剤）
本実施形態のガス化剤は、水電解装置で生成した酸素を含み、必要に応じて、外部からの酸素含有ガスを含んでもよい。酸素含有ガスとしては、空気、酸素富化空気、純酸素等が挙げられる。ガス化剤は、バイオマスをガス化するための剤であり、例えば、酸素、空気、若しくはこれらの混合物、又は酸素、空気、若しくはこれらの混合物に水蒸気を添加したものが挙げられる。特に、ガス化剤は、酸素、空気及び水蒸気の合計がガス化剤の９９体積％以上を占めることが好ましい。

上述した酸素供給工程において、水電解により生成した酸素をガス生成装置に供給する方法としては、例えば、外部からの酸素含有ガスと同時に、水電解により生成した酸素をガス生成装置に供給してもよく、外部からの酸素含有ガスをガス生成装置に供給し、酸素濃度が所定濃度になるように調整してから水電解により生成した酸素をガス生成装置に供給してもよい。

ガス化剤中の酸素濃度は、２２体積％以上４０体積％以下である。本実施形態のバイオマスガス化発電システム及び発電方法は、ガス化剤中の酸素濃度が、２２体積％以上であると、タール等の副生物が生成しにくく、上記の酸化反応が進行し易くなり、可燃性ガスの収率を一層向上できる。一方、ガス化剤中の酸素濃度が、４０体積％以下であると、ガス生成装置での局所的な燃焼が起こりにくく、安定したガス化を達成する事ができる。同様の観点から、ガス化剤中の酸素濃度は、２４体積％以上であることが好ましく、２６体積％以上であることがより好ましい。また、ガス化剤中の酸素濃度は、３５体積％以下であることが好ましく、３０体積％以下であることがより好ましい。
また、ガス化剤の窒素濃度は、７６体積％以下であることが好ましく、７４体積％以下であることがより好ましい。このような構成とすることにより、可燃性ガスの収率を向上できる。また、下限値としては、６５体積％以上であることが好ましく、７０体積％以上であることがより好ましい。このような構成とすることにより、安定したガス化を達成することができる。

（燃料ガス）
本実施形態の燃料ガスは、ガス生成装置により生成した可燃性ガスと、水電解装置で生成した水素とを含む。燃料ガスは、必要に応じて、外部からの可燃性ガスを供給してもよい。本明細書において、可燃性ガスとは、酸素の存在下により可燃性を有するガスをいい、一酸化炭素及び水素が挙げられる。

燃料ガス中の水素濃度は、１５体積％以上であることが好ましく、また、５０体積％以下であることが好ましい。本発明のバイオマスガス化発電システム及び発電方法は、燃料ガス中の水素濃度が１５体積％以上であると、発電機を駆動するための動力を一層向上させることができる。一方、燃料ガス中の水素濃度が５０体積％以下であると、内燃機関で安定して燃焼させることができる。同様の観点から、燃料ガス中の水素濃度は、１７体積％以上であることがより好ましく、１９体積％以上であることが更に好ましい。また、燃料ガス中の水素濃度は、４０体積％以下であることがより好ましく、３０体積％以下であることが更に好ましい。
本発明では、燃料ガス中の可燃性ガスの含有量（一酸化炭素及び水素の合計量）を３２体積％以上とすることができ、３３体積％以上とすることができる。上限としては、例えば、５０体積％以下であり、さらには４０体積％以下である。

（変形例）
本実施形態のバイオマスガス化発電システムにおいて、水電解装置が、太陽光発電や風力発電等の変動電源により生成した電力を利用して水電解することが好ましい。この場合、本実施形態の発電方法は、水電解工程において、太陽光発電や風力発電等の変動電源により生成した電力を利用して水電解することが好ましい。本実施形態のバイオマスガス化発電システム及び発電方法は、水電解装置（水電解工程）が太陽光発電や風力発電等の変動電源により生成した電力を利用して水電解することにより、水電解に必要な外部からの電力の消費量を抑制できるため、バイオマスガス化発電システム全体又は工程全体でのエネルギー効率を一層向上することができる。

以下に実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

［バイオマスガス化発電システムの構成］
本実施例では、図１の模式図で示されるバイオマスガス化発電システム１を用いた。水電解装置としては、市販品（株式会社神鋼環境ソリューション製品の「Ｈ２ＢＯＸ」）を用いた。

［参考例１］
１０ｃｍの外径及び６０ｃｍの高さを有するダウンドラフト型ガス化炉に湿量基準で１３質量％の水含有量を有する杉チップを供給した。その後、空気をガス化剤として、８０Ｌ／分の供給速度にて上記ガス化炉に供給し、可燃性ガスである一酸化炭素及び水素を生成した。ガス化剤中の酸素濃度は、２１体積％であった。生成した一酸化炭素の生成量、水素の生成量及び二酸化炭素の生成量は、それぞれ、ガス全体（ガス化剤と可燃性ガスの合計）に対して、１８．０体積％、１３．０体積％及び１３．０体積％であり、可燃性ガスの生成量（一酸化炭素及び水素の生成量の合計）は、３１．０体積％であった。なおガス化炉の温度は４００〜９００℃であった。ガス組成は、ＧＣ（ガスクロマトグラフィ）にて測定した。

［実施例１］
水電解装置（株式会社神鋼環境ソリューション製品の「Ｈ２ＢＯＸ」）で生成した酸素を４Ｌ／分の供給速度に対し、空気を８０Ｌ／分の供給速度で供給したものをガス化剤として、上記ガス化炉に供給した以外は参考例１と同様にして可燃性ガスである一酸化炭素及び水素を生成した。ガス化剤中の酸素濃度は、２４．８体積％であった。生成した一酸化炭素の生成量、水素の生成量及び二酸化炭素の生成量は、それぞれ、ガス化炉内のガス全体に対して、２１．８体積％、１３．３体積％及び１３．６体積％であり、可燃性ガスの生成量（一酸化炭素及び水素の生成量の合計）は、３５．１体積％であった。

［実施例２］
酸素の供給速度を４Ｌ／分に代えて、８Ｌ／分とした以外は実施例１と同様にして可燃性ガスである一酸化炭素及び水素を生成した。ガス化剤中の酸素濃度は、２８．２体積％であった。生成した一酸化炭素の生成量、水素の生成量及び二酸化炭素の生成量は、それぞれ、ガス化炉内のガス全体に対して、２４．８体積％、１３．６体積％及び１４．６体積％であり、可燃性ガスの生成量（一酸化炭素及び水素の生成量の合計）は、３８．４体積％であった。

［実施例３］
参考例１の杉チップに代えて、湿量基準で４０質量％の水含有量を有する杉チップを供給し、ガス化剤として空気７２Ｌ／分、酸素８Ｌ／分を供給した以外は実施例１と同様にして可燃性ガスである一酸化炭素及び水素を生成した。ガス化剤中の酸素濃度は、２７．９体積％であった。生成した一酸化炭素の生成量、水素の生成量及び二酸化炭素の生成量は、それぞれ、ガス化炉内のガス全体に対して、１８．４体積％、１８．３体積％及び１７．１体積％であり、可燃性ガスの生成量（一酸化炭素及び水素の生成量の合計）は、３６．７体積％であった。

［比較例１］
湿量基準で４０質量％の水含有量を有する杉チップを供給した以外は参考例１と同様にして可燃性ガスである一酸化炭素及び水素を生成しようとしたが、失火によりガス化を継続することはできなかった。

［参考例２］
１０ｃｍの外径及び６０ｃｍの高さを有するダウンドラフト型ガス化炉に湿量基準で８質量％の水含有量を有する木質ペレット（ホワイトペレット）を供給した。その後、空気をガス化剤として、８０Ｌ／分の供給速度にて上記ガス化炉に供給し、可燃性ガスである一酸化炭素及び水素を生成した。生成した可燃性ガスの生成速度は、１２０Ｌ／分であり、生成した一酸化炭素の生成量及び水素の生成量は、それぞれ、ガス化炉内のガス全体に対して、１８．０体積％及び１３体積％であった。なお、ガス化炉の温度は４００〜９００℃であった。

上記可燃性ガスを燃料ガスとして、２９０ｃｃの排気量を有するガスエンジンに供給して動力を生成した。このときの燃料化剤中の水素濃度は、１３体積％であった。その結果、回転数が１８０６ｒｐｍであり、トルクが８．９７Ｎｍであり、動力（２π×トルク×回転数／６０））が１．７ｋＷであった。

［実施例４］
参考例２と同様に得た可燃性ガス（１２０Ｌ／分、一酸化炭素１８．０体積％、水素１３体積％）に、水電解装置（神鋼環境ソリューション株式会社製品の「Ｈ２ＢＯＸ」）で生成した水素を水素供給装置を介して、１３Ｌ／分の供給速度で加えた燃料ガス（１３３Ｌ／分、一酸化炭素１３．５体積％、水素１９．５体積％）を上記ガスエンジンに供給した以外は参考例２と同様にして動力を生成した。その結果、回転数が１８１９ｒｐｍであり、トルクが１０．４５Ｎｍであり、動力が２．０ｋＷであった。

１…バイオマスガス化発電システム、２…ガス生成装置、３…内燃機関、４…発電機、５…水電解装置、６…酸素供給装置、７…水素供給装置

Claims (15)

1. バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成するガス生成装置と、該ガス生成装置により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する内燃機関と、該内燃機関で生成した動力から電力を生成する発電機と、を備えた発電システムであって、
   前記発電システムが、水電解により酸素及び水素を生成する水電解装置を更に備え、前記ガス化剤が、前記水電解装置で生成した酸素を含み、前記燃料ガスが、前記水電解装置で生成した水素を含み、
   前記ガス化剤中の酸素濃度が、２２体積％以上４０体積％以下である、バイオマスガス化発電システム。
2. 前記水電解装置で生成した酸素を前記ガス生成装置に供給する酸素供給装置と、前記水電解装置で生成した水素を前記内燃機関に供給する水素供給装置と、を更に備える、請求項１に記載のバイオマスガス化発電システム。
3. 前記バイオマスが、植物由来のバイオマスである、請求項１又は２に記載のバイオマスガス化発電システム。
4. 前記植物由来のバイオマスが、木質系バイオマス、草本系バイオマス、植物残滓及び食品残渣の少なくとも１種を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオマスガス化発電システム。
5. 前記バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマスガス化発電システム。
6. 前記バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上６０質量％以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマスガス化発電システム。
7. 前記燃料ガス中の水素濃度が、１５体積％以上５０体積％以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバイオマスガス化発電システム。
8. バイオマス及びガス化剤から可燃性ガスを生成するガス生成工程と、該ガス生成工程により生成した可燃性ガスを含む燃料ガスから動力を生成する動力生成工程と、該動力生成工程により生成した動力から電力を生成する電力生成工程と、を含む発電方法であって、
   前記発電方法が、水電解により酸素及び水素を生成する水電解工程を更に含み、前記ガス化剤が、前記水電解工程により生成した酸素を含み、前記燃料ガスが、前記水電解工程で生成した水素を含み、前記ガス化剤中の酸素濃度が、２２体積％以上４０体積％以下である、発電方法。
9. 前記ガス生成工程が、ガス生成装置により行われ、前記動力生成工程が、内燃機関により行われ、
   前記発電方法が、前記水電解工程により生成した酸素を前記ガス生成装置に供給する酸素供給工程と、前記水電解工程により生成した水素を前記内燃機関に供給する水素供給工程とを更に備える、請求項８に記載の発電方法。
10. 前記バイオマスが、植物由来のバイオマスである、請求項８又は９に記載の発電方法。
11. 前記植物由来のバイオマスが、木質系バイオマス、草本系バイオマス、植物残滓及び食品残渣の少なくとも１種を含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の発電方法。
12. 前記バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のバイオマスガス化発電システム。
13. 前記バイオマス中の水含有量が、１０質量％以上６０質量％以下である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の発電方法。
14. 前記燃料ガス中の水素濃度が、１５体積％以上５０体積％以下である、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の発電方法。
15. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のバイオマスガス化発電システムを用いる、請求項８〜１４のいずれか１項に記載の発電方法。