(57)【要約】【課題】転炉やコークス炉で発生する高温の排ガス中のＨ２またはＣＯを少ないコストで活用または酸化処理できる新規な排ガスを用いた発電方法および発電装置、ならびに排ガスの酸化処理方法および酸化処理装置の提供。【解決手段】所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを用いた発電方法であって、前記排ガスが通過する煙道Ｓに、イオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池100の燃料極43を位置させて当該煙道Ｓ内を通過する前記排ガスと接触させると共に、当該燃料電池100の酸素極43側に酸素を供給して発電を行う。これによって、転炉やコークス炉で発生する高温の排ガスをそのまま直接処理可能となるため、その排ガス中のＨ２またはＣＯを少ないコストで活用または酸化処理できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを用いた発電方法であって、
前記排ガスが通過する煙道または炉内に、イオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池の燃料極を位置させて当該煙道または炉内を通過する前記排ガスと接触させると共に、当該燃料電池の酸素極側に酸素を供給して発電を行うようにしたことを特徴とする排ガスを用いた発電方法。
【請求項２】
所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを用いた発電装置であって、
前記排ガスが通過する煙道または炉内に設けられ、当該煙道または炉内を通過する前記排ガスと接触するようにイオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池の燃料極を位置させると共に、当該燃料電池の酸素極側に酸素を供給する酸素供給手段を備えたことを特徴とする排ガスを用いた発電装置。
【請求項３】
所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを酸化処理する方法であって、
前記排ガスが通過する煙道または炉内に、イオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池の燃料極を位置させて当該煙道または炉内を通過する前記排ガスと接触させると共に、当該燃料電池の酸素極側に酸素を供給して前記排ガス中のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を酸化処理するようにした排ガスの酸化処理方法。
【請求項４】
所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを酸化処理する装置であって、
前記排ガスが通過する煙道または炉内に設けられ、当該煙道または炉内を通過する前記排ガスと接触するようにイオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池の燃料極を位置させると共に、当該燃料電池の酸素極側に酸素を供給する酸素供給手段を備えたことを特徴とする排ガスの酸化処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄所の転炉ガスやコークス炉ガスなどの所定量以上のＨ２またはＣＯを含む排ガスを用いた発電方法および発電装置、ならびに当該排ガスの酸化処理方法および酸化処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、製鉄所の転炉やコークス炉からは、所定濃度以上のＨ２またはＣＯを含む高温の排ガスが大量に発生するが、従来このような排ガスは、その後酸素付加によりＨ２またはＣＯを燃焼（酸化）処理して無害化してから大気に排出している（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ、２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２）
そして、このような所定濃度以上のＨ２またはＣＯを含む排ガスの燃焼処理に際しては、その燃焼熱を有効利用することが試みられているが、その燃焼熱の発生箇所は転炉やコークス炉などの炉尻や煙道であるため、利用し難くかつ回収効率も芳しくない。
【０００３】
すなわち、燃焼処理時に発生する熱エネルギーを有効に活用できない原因の１つとして、熱エネルギーは移送に伴いロスが多く、発生源の近くで使用する以外はそのエネルギー形態を変化させる必要があることが挙げられる。さらに、その熱エネルギー形態を電気エネルギーなどに変換させる設備には膨大な投資を要するといった問題がある。さらに、燃焼処理することによって大量のＣＯ２を発生してしまう結果となる。
【０００４】
そのため、例えば、以下の特許文献１および２などでは、転炉やコークス炉などで発生するＨ２またはＣＯを含む高温の排ガスを高温燃料電池の燃料ガスとして用い、電気エネルギーとして回収するような方法を提案している。
【特許文献１】特開昭６０−１７７５７１号公報
【特許文献２】特開昭６３−６２１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１および２では、転炉やコークス炉で発生した高温の排ガスを一旦ガスホルダーなどに溜めておき、精製処理や余熱処理などを行ってからこれを燃料電池に供給して発電に用いるようにしているため、そのための専用の設備が新たに必要となり、その建設や処理に膨大な費用を要するといった問題がある。
そこで、本発明はこのような課題を有効に解決するために案出されたものであり、その目的は、転炉やコークス炉で発生する高温の排ガス中のＨ２またはＣＯを少ないコストで活用または酸化処理できる新規な排ガスを用いた発電方法および発電装置、ならびに排ガスの酸化処理方法および酸化処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、
所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを用いた発電方法であって、前記排ガスが通過する煙道または炉内に、イオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池の燃料極を位置させて当該煙道または炉内を通過する前記排ガスと接触させると共に、当該燃料電池の酸素極側に酸素を供給して発電を行うようにしたことを特徴とする排ガスを用いた発電方法である。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、
所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを用いた発電装置であって、前記排ガスが通過する煙道または炉内に設けられ、当該煙道または炉内を通過する前記排ガスと接触するようにイオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池の燃料極を位置させると共に、当該燃料電池の酸素極側に酸素を供給する酸素供給手段を備えたことを特徴とする排ガスを用いた発電装置である。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、
所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを酸化処理する方法であって、前記排ガスが通過する煙道または炉内に、イオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池の燃料極を位置させて当該煙道または炉内を通過する前記排ガスと接触させると共に、当該燃料電池の酸素極側に酸素を供給して前記排ガス中のＨ２を酸化処理するようにした排ガスの酸化処理方法である。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、
所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む排ガスを酸化処理する装置であって、前記排ガスが通過する煙道または炉内に設けられ、当該煙道または炉内を通過する前記排ガスと接触するようにイオン導電性酸化物を固体電解質とした燃料電池の燃料極を位置させると共に、当該燃料電池の酸素極側に酸素を供給する酸素供給手段を備えたことを特徴とする排ガスの酸化処理装置である。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１および２の発明によれば、燃料電池をその排ガスが通過する煙道または炉内に設置したため、その排ガス中に含まれている所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方と空気（酸素）とをその排ガスの高温を利用して効率的に反応させて発電することができる。また、その排ガスを利用するための大がかりな専用設備も不要となるため、その排ガス中のＨ２またはＣＯを少ないコストで有効活用できる。
【００１１】
また、請求項３および４の発明によれば、前記請求項１または２と同様に、燃料電池をその排ガスが通過する煙道または炉内に設置したため、その排ガス中に含まれている所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方と空気（酸素）とをその排ガスの高温を利用して効率的に反応させて排ガス中から除去することができる。また、その排ガス中のＨ２またはＣＯを除去するための大がかりな専用設備も不要となるため、その排ガス中のＨ２またはＣＯを少ないコストで酸化処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明に係る発電装置１００の実施の一形態を示したものである。
図示するようにこの発電装置１００は、所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む高温（例えば７００〜１０００℃）の排ガスが通過する煙道Ｓ内に設けられた燃料電池ユニット１０と、当該燃料電池ユニット１０に空気（酸素）を供給する酸素供給ファン２０と、この燃料電池ユニット１０で発電された電気を利用または蓄電する負荷部３０とから主に構成されている。
【００１３】
この燃料電池ユニット１０は、図２に示すように公知のそれと同様の構成となっており、発電機能を有するセル４０を複数積層したセルスタック５０にガスを案内するためのヘッダ（図示せず）を取り付けてなるものであり、各セル４０間を仕切る各セパレータ４１のスリット状の流路にそれぞれ前記排ガスと大気中の空気を交互に通過させることで発電を行うようになっている。
【００１４】
すなわち、このセルスタック５０を構成する各セル４０は、図３に示すように高温下で活性な固体電解質、例えばイオン導電性酸化物として代表的なイットリア安定化ジルコニア（Yttria Stabilized Zirconia：YSZ）を電解質として用いた固体電解質層４２を、気体が通過可能なシートまたは板状の燃料極（カソード：例えばＮｉ−ＹＳＺサーメットなど）４３と、同じく気体が通過可能なシートまたは板状の酸素極（カソード：例えばＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３など）４４で挟むと共に、その上下をそれぞれ一対のセパレータ４１ａ，４１ｂで挟んで積層した構造としたものである。なお、これら燃料極４３および酸素極４４の固体電解質層４２にはこの固体電解質層４２における反応（発電）を促進するための触媒層４５、４５がそれぞれ形成されいる。
【００１５】
そして、図示するように一方のセパレータ４１ａ側に、前述したように所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む高温の排ガスを通過させると共に、他方のセパレータ４１ｂ側に空気（酸素）を通過させると、図４に示すように燃料極４３側では、燃料が水素（Ｈ２）である場合は、このＨ２が燃料極４３側の触媒４５の働きによって電子を切り離して水素イオン（２Ｈ＋）となる（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。この固体電解質層４２はイオンしか通さないという性質を持っているため、切り離された電子は電線３０ａから外に出て負荷部３０側に流れる。
【００１６】
その後、この水素イオン（２Ｈ＋）は、固体電解質層４２内を移動して反対側の酸素極４４に到達し、ここで酸素極４４に浸入してきた酸素（Ｏ２）と負荷部３０を通じて戻ってきた電子と反応（酸化）して水（Ｈ２Ｏ）になり（１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）、残りの空気と共に外部に排出されることになる。
なお、燃料極４３側に供給される燃料が一酸化炭素（ＣＯ）である場合は、酸素極４４側の酸素（Ｏ２）と反応（酸化）して二酸化炭素（ＣＯ２）となって残りの空気と共に外部に排出されることになる。
【００１７】
従って、本発明は図１に示すようにこの発電装置１００の燃料電池ユニット１０をそのセルスタック５０の燃料極４３側を、所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む高温の排ガスと常に接するようにその煙道Ｓ内に設置すると共に、そのセルスタック５０の酸素極４４に、酸素供給ファン２０によって常に十分な空気を供給するようにしたものであり、これにより、その煙道Ｓを通過する排ガス中のＨ２やＣＯを確実に酸化除去すると共に十分な電気を供給することが可能となる。
【００１８】
また、この固体電解質層４２は、１０００℃付近で最も高い活性を示すイットリア安定化ジルコニアなどのイオン導電性酸化物からなるため、高温下でも使用可能であり、製鉄所の転炉やコークス炉で発生した直後の高温の排ガスをそのまま直接処理することができるため、専用の処理設備やハンドリングが不要となり、少ないコストで本発明を実現することが可能となる。
【００１９】
なお、本実施の形態では、この発電装置１００の燃料電池ユニット１０を、所定濃度以上のＨ２およびＣＯまたはいずれか一方を含む高温の排ガスが流れる煙道Ｓに設けた例で説明したが、例えばその排ガス中の熱を回収した後（冷却後）に煙道Ｓに流すようなケース（設備）では、その排ガス温度が低くて反応が芳しくない。そのため、このようなケースでは、煙道Ｓではなく、高温の排ガスが発生する炉内に直接この発電装置１００の燃料電池ユニット１０を設けるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る発電装置１００の実施の一形態を示す説明図である。
【図２】本発明に係る発電装置１００の一部を構成する燃料電池ユニット１０を示す斜視図である。
【図３】燃料電池ユニット１０を構成するセル４０の構造を示す分解斜視図である。
【図４】セル４０による発電の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１００…発電装置（酸化処理装置）
１０…燃料電池ユニット
２０…酸素供給ファン（酸素供給手段）
３０…負荷部
３０ａ…電線
４０…セル
４１…セパレータ
４２…固体電解質層
４３…燃料極
４４…酸素極
４５…触媒
５０…セルスタック
Ｓ…煙道
【図１】
2008010276.tif 000003
【図２】
2008010276.tif 000004
【図３】
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【図４】
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