(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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、を含む燃料電池発電プロセス。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、を含む燃料電池発電プロセス。
【請求項２】
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、燃料電池発電プロセス。
【請求項３】
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、燃料電池発電プロセス。
【請求項４】
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、燃料電池発電プロセス。
【請求項５】
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、を含むメタン発酵液燃料電池発電プロセス。
【請求項６】
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、を含む燃料電池システム。
【請求項７】
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、を含む燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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