(57)【要約】【課題】廃棄物のガス化ガス等を使用する場合に生じる余剰炭酸ガスを含むガスを、大気中に放出することなく回収し、かつ有意義に利用することを可能にする発電方法および発電装置を提供する。【解決手段】水素および一酸化炭素を含むガスを燃料電池（ＭＣＦＣ）１０のアノード極１０ａに供給するとともに、酸素および炭酸ガスを含むガスをその燃料電池１０のカソード極１０ｂに供給して電気的エネルギーを得る発電方法である。天然ガスよりも炭素成分比率が多いガスをアノード極１０ａに供給するとともに、アノード極１０ａから排出されるガスを燃焼させ、燃焼後のガスから炭酸ガスを回収することを特徴とする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素および一酸化炭素を含むガスを燃料電池のアノード極に供給するとともに、酸素および炭酸ガスを含むガスをその燃料電池のカソード極に供給して電気エネルギーを得る発電方法において、
天然ガスよりも炭素成分比率の多いガスをアノード極に供給するとともに、アノード極から排出されるガスを燃焼させ、燃焼後のガスから炭酸ガスを回収することを特徴とする発電方法。
【請求項２】
アノード極から排出されたのち燃焼させたガスによって、アノード極に供給する上記のガスを加熱することを特徴とする請求項１に記載の発電方法。
【請求項３】
アノード極から排出されたのち燃焼させたガスをガスタービンに導入して発電機を駆動し、そのうえで、燃焼後のそのガスから炭酸ガスを回収することを特徴とする請求項１または２に記載の発電方法。
【請求項４】
天然ガスよりも炭素成分比率の多い上記のガスとして、廃棄物をガス化して得たガスを使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発電方法。
【請求項５】
炭酸ガスを回収する際に水分を分離し、その水分を、水素および一酸化炭素を含む上記のガスとともにアノード極に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発電方法。
【請求項６】
水素および一酸化炭素を含有するガスが供給されるアノード極と、酸素および炭酸ガスを含有するガスが供給されるカソード極とを有する燃料電池を含み、
アノード極から排出されるガスの経路に、当該ガスを燃焼させる燃焼手段と、燃焼後のガスを冷却する冷却手段、およびガス回収容器がこの順に接続されていて、回収容器内に入れたガスをカソード極へ上記のガスとして供給するための管路を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
アノード極へ供給される上記ガスの経路に、上記の燃焼手段による発生熱によって当該ガスを加熱する加熱手段が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の発電装置。
【請求項８】
アノード極から排出されるガスの経路における上記燃焼手段の下流側に、発電用ガスタービンが設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の発電装置。
【請求項９】
水素および一酸化炭素を含有していてアノード極へ供給される上記ガスの発生源として、廃棄物のガス化炉が接続されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
請求項に係る発明は、燃料電池を利用する発電方法および発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、高い効率での発電を実現する手段である。発電効率が高いのは、化学的エネルギーを直接に電気的エネルギーに変えるからであり、蒸気タービンやガスタービンを使用する場合のような機械的ロス等がきわめて少ないからである。
【０００３】
大規模電源等として好ましいとされる溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）は、電解質を備えたセル内でカソード極の側からアノード極にかけて炭酸イオン（ＣＯ３２−）が電子を運ぶことによって発電をする。すなわち、炭酸ガス（ＣＯ２）を含むガスと、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を含むガスとが、適切な温度・圧力においてそれぞれカソード極とアノード極とに供給されると、炭酸ガスを含むガスを供給されたカソード極から、反対側のアノード極にかけてセル内で炭酸イオンが移動する。
【０００４】
このような燃料電池を使用する従来の発電装置の概要を図４に示す。通常は天然ガスを改質器３３にて改質することにより水素や一酸化炭素、炭酸ガス等を含むガスにし、それを燃料電池３０のアノード極３０ａに供給する。アノード極３０ａからは、未利用の水素や一酸化炭素とともに炭酸ガスや水を含むガスが排出される。その排出ガスは、空気で燃焼させて改質器３３の熱源にし、燃焼後のガス（炭酸ガスなどを含む）はリサイクルして燃料電池３０のカソード極３０ｂに供給する。カソード極３０ｂから排出されるガスは、図示のように膨張タービン３８に供給してさらにそのエネルギーの回収をはかることもある。
図４に示したものと同様の発電装置は、たとえば特開平１１−３５４１４３号公報や特開平１０−１４４３３２号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す発電装置は、ガスの供給源が天然ガスである場合に最も円滑に機能し、上記のようにリサイクルする炭酸ガスについても発生量と使用量とをバランスさせることができる。しかし、天然ガスではなく炭素成分（Ｃ）がもっと多量に含まれる他のガスを供給する場合には、炭酸ガス量についてのそのようなバランスがくずれてしまう。すなわち、アノード極３０ａから排出されるガスの中にも炭酸ガスが多くなり、改質器３３の熱源として燃焼させたのちのガスにもきわめて多量の炭酸ガスが含まれるので、カソード極３０ｂでの反応率をかなり高めても余剰の炭酸ガスが生じることになる。
【０００６】
天然ガスよりも炭素成分の多いガスとしては、たとえば廃棄物のガス化ガスがある。「廃棄物」とは廃プラスチックや生ゴミ、木くず、バイオマス、紙ゴミなど、各種の一般廃棄物および産業廃棄物であって、一般に炭素成分が水素成分よりも多く、天然ガスにおける成分比（水素の方が炭素よりも多い）と異なる。したがって、これら廃棄物を不完全燃焼等させてガス化したガスには、天然ガスを改質したガスにおけるよりもずっと多くの一酸化炭素や炭酸ガスが含まれるのである。
【０００７】
図３は、天然ガスを改質して得るガスと廃棄物のガス化ガスとについて、燃料電池に供給したガスに対して余剰となり得る炭酸ガスの割合（余剰率）を調査した結果を示している。天然ガス改質ガスの場合、カソード極での反応率（横軸）を適切に高めれば炭酸ガスの余剰率（縦軸）をゼロにすることができる。しかし廃棄物ガス化ガスの場合は、カソード極での反応率を望ましいレベルに保つ限り（つまり発電効率を意図的に低劣に設定しない限り）、余剰の炭酸ガスが多く発生することになる。余剰炭酸ガスを含むガスは、言うまでもないが、大気中に放出した場合、地球温暖化を促進するなど環境上の不都合をまねきがちである。
【０００８】
請求項に係る発明は、上記のような場合に生じる余剰炭酸ガスを含むガスを、大気中に放出することなく回収し、かつ有意義に利用することを可能にする発電方法および発電装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発電方法は、水素および一酸化炭素を含むガスを燃料電池（ＭＣＦＣ）のアノード極に供給するとともに、酸素および炭酸ガスを含むガスをその燃料電池のカソード極に供給して電気的エネルギーを得る発電方法において、
・　天然ガスより炭素成分比率が多いガスをアノード極に供給するとともに、
・　アノード極から排出されるガス（未利用の水素および一酸化炭素を含む）を燃焼させ、燃焼後のガスから炭酸ガスを回収することを特徴とする。
天然ガスより炭素成分比率の多いガスとしては、上記した廃棄物のガス化ガスのほか、石炭をガス化したガスもあげることができる。
【００１０】
この発電方法によると、天然ガスではなく炭素成分がもっと多量に含まれる他のガスを燃料電池のアノード極に供給する場合にも、炭酸ガスについて発生量と使用量とをバランスさせ、大気中への放出をなくす（または減らす）ことができる。炭素成分が多量に含まれると、アノード極に供給するガスの中にも、アノード極から排出されるガス中にも、また燃焼させたのちのガスにも多量の炭酸ガスが含まれ、その量は、カソード極に供給して使用される炭酸ガスの量を上回る。しかし、上記のとおり炭酸ガスは回収し、カソード極にて使用するなど後の有効利用に備えるのであるから、用途を広くとらえた見方をすると、炭酸ガスについて発生量と使用量とがバランスし、大気中への放出が抑制されることになる。なお、もし炭素成分比率が天然ガスなみのガスが一時的に供給される場合には、回収のための経路を絞り、または回収した炭酸ガスをそのままカソード極に供給することにより、燃料電池の円滑な運転を継続できる。
【００１１】
炭酸ガスは、廃棄物や石炭等に含まれる炭素含有物をたとえばＣ＋ＣＯ２→２ＣＯなる反応にてガス化させるガス化剤として機能するほか、活性が低いので、高温雰囲気中での安定的な雑用ガス（たとえば気流搬送用、シール用またはクリーニング用のガス）などとしても多くの需要がある。そのため、上記のように炭酸ガスを回収すると、それを使用して種々の工業的操作を経済的に実施できる可能性が拡がる。
【００１２】
なお、上記の発明においてアノード極からの排出ガスを燃焼させるのは、可燃成分を完全燃焼させて炭酸ガスと水に変えるためである。他の成分を減らし、各種の用途に好ましい態様で使用され得る高純度の炭酸ガスを得るためには、つぎのようにするのがよい。すなわち、まず、アノード極から排出されるガスを燃焼させる際、空気ではなく酸素によって燃焼させる。そうすれば、空気による場合に燃焼ガス中に含まれる窒素（Ｎ２）が炭酸ガス中に混入しなくなる。また、燃焼後のガスは、そのまますべてを回収するのではなく、冷却して水分（Ｈ２Ｏ）を凝縮させ除外したうえで、ガスのみを回収する。こうすれば、ガス中の水分からも分離された好ましい炭酸ガスを回収できることになる。カソード極に供給する炭酸ガスとしても、こうして得る純度の高い炭酸ガスを供給するなら、当該カソード極での反応が促進され発電効率が向上する点で有意義である。
【００１３】
請求項２に記載した発電方法は、とくに、アノード極から排出されたのち燃焼させたガスによって、アノード極に供給する上記のガス（水素および一酸化炭素を含むガス）を加熱する（そのうえで、燃焼後の上記ガスから炭酸ガスを回収する）ことを特徴とする。
【００１４】
燃料電池（ＭＣＦＣ）のアノード極では約６５０℃で反応が進む。そのため、アノード極に供給する水素・一酸化炭素を含むガスは、常温とするよりも、できるだけ６５０℃に近づけた状態で供給するのが好ましい。この請求項の発電方法は、アノード極に供給するそのガスを、上記のように燃焼させたガスが有する熱によって加熱するのであるから、アノード極での反応を活発かつ安定的に行わせることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発電方法は、とくに、アノード極から排出されたのち燃焼させたガスをガスタービンに導入して発電機を駆動し、そのうえで、燃焼後のそのガス（ガスタービンを出たガス）から炭酸ガスを回収することを特徴とする。
【００１６】
アノード極から排出されたのち燃焼させたガスは、温度が高いだけでなく圧力のエネルギーも具備している。そのため、この請求項の発明にしたがってそのガスをガスタービンに導入することにより、発電機を駆動して効果的な発電をすることができる。このことは、燃料電池において利用されなかったエネルギーを有効に利用して、一層に効率の高い発電を行えることにほかならない。
【００１７】
請求項４に記載の発電方法は、とくに、天然ガスよりも炭素成分比率の多い上記のガスとして、廃棄物をガス化して得たガスを使用することを特徴とする。廃棄物とは、前述したように、廃プラスチックや生ゴミ、木くず、バイオマス、紙ゴミなど、各種の一般廃棄物および産業廃棄物をいう。
【００１８】
このような廃棄物のガス化は、廃棄物を処分する意味でも新エネルギーを開発する意味でも注目される技術である。この請求項の発明は、そのような廃棄物のガス化によって得られるガスを有効に利用し、しかも、発生する炭酸ガスの大気中への放出を抑制するものであるから、資源と環境の問題に有意義な解決を与えることをも可能にする。
【００１９】
請求項５に記載の発電方法はとくに、炭酸ガスを回収する際に水分を分離し、その水分を、水素および一酸化炭素を含む上記のガスとともにアノード極に供給することを特徴とする。水分を分離するには、たとえば、前記したように燃焼後のガスを冷却し水分を凝縮させて除外する方法をとればよい。
【００２０】
炭酸ガスを回収する際に水分を分離すれば、前記したとおり炭酸ガスの純度が上がって各種の用途に好ましい態様で使用され得るようになる。一方、分離した水分を、水素および一酸化炭素を含むガスとともにアノード極に供給するなら、アノード極での反応が滑らかに進行する。つまり、この請求項の発明によれば、外部からわざわざ水分を供給等することなく、系内の水分を分離し移送することのみにより、炭酸ガスの純度アップと反応の円滑化という二つのメリットを同時にかつ経済的に得ることができる。
【００２１】
請求項６に記載した発電装置は、水素および一酸化炭素を含有するガスが供給されるアノード極と、酸素および炭酸ガスを含有するガスが供給されるカソード極とを有する燃料電池（ＭＣＦＣ）を含み、
・　アノード極から排出されるガスの経路に、当該ガスを燃焼させる燃焼手段と、燃焼後のガスを冷却する冷却手段、およびガス回収容器がこの順に接続されていて、
・　回収容器内に入れたガスをカソード極へ上記のガスとして供給するための管路を備えることを特徴とする。
【００２２】
こうした構成の発電装置によれば、請求項１に記載した発電方法を適切に実施することができる。天然ガスよりも炭素成分比率の高いガスをアノード極に供給すると、アノード極から排出されたガスにも多量の炭酸ガスが含まれるが、そのガスを上記燃焼手段で燃焼させ、さらに上記の冷却手段にて冷却し水分を凝縮除去することにより、純度の高い炭酸ガスをガス回収容器内に回収できるからである。当該容器内に回収した炭酸ガスは、前述したとおり多くの需要をもち、種々の工業的操作を経済的に実現する効果をもたらす。
また、回収容器に回収した純度の高い炭酸ガスをカソード極へ供給するので、カソード極での反応が促進されて発電効率が向上するという利点もある。
【００２３】
請求項７に記載の発電装置はさらに、アノード極へ供給される上記ガスの経路に、上記の燃焼手段による発生熱によって当該ガスを加熱する加熱手段が配置されていることを特徴とする。
この発電装置では、アノード極から排出されるガスを上記の燃焼手段が燃焼させ、燃焼したガスの発生熱によって上記の加熱手段が、アノード極へ供給されるガスを加熱する。そのため、請求項２に記載の発電方法を円滑に実施できる。そのため、この装置では、アノード極での反応を活発かつ安定的に行わせ得ることになる。
【００２４】
請求項８に記載の発電装置は、とくに、アノード極から排出されるガスの経路における上記燃焼手段の下流側に、発電用ガスタービンが設けられていることを特徴とする。
この発電装置なら、請求項３に記載した発電方法を円滑に実施できる。アノード極から排出されたのち上記燃焼手段で燃焼させたガスを上記ガスタービンに導入して発電をし、そのうえで、冷却手段およびガス回収容器を用い、燃焼後のガスから炭酸ガスを回収できるからである。したがって、この装置では、燃料電池において利用されなかったエネルギーを有効に利用して、一層に高効率の発電を行うことが可能である。
【００２５】
請求項９に記載の発電装置は、とくに、水素および一酸化炭素を含有していてアノード極へ供給される上記ガスの発生源として、廃棄物のガス化炉が接続されていることを特徴とする。
この装置では、請求項４に記載した発電方法を実施できる。これにより、廃棄物の処理・エネルギー開発・地球温暖化防止という各面での有利な効果がもたらされると期待できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
発明の実施に関する一形態を図１に示す。発電装置１は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）１０を中心とする装置である。炭素系ガスの量が水素ガスの２倍あるガス（図中左方に示すＨ２＋ＣＯ２＋ＣＯ）を発電用原料とする点に、この発電装置１の特徴がある。
【００２７】
発電装置１ではまず、炭素成分比率の多い上記のガス（原料ガス）を、燃焼器１３（原料ガスの加熱手段であって、後述するアノード排ガスの燃焼手段でもあるもの）にて約６５０℃に加熱したうえ、管路１３ａを介して燃料電池１０のアノード極１０ａに供給する。そのアノード極１０ａで反応し、または未反応のままの成分を含むガス（アノード排ガス。約６５０℃・約５ｋｇｆ／ｃｍ２）は、管路１３ｂを通して上記の燃焼器１３に送り、管路１３ｃより供給する酸素を用いて完全燃焼させる。
【００２８】
燃焼させたアノード排ガスは、管路１３ｄによりガス冷却器１５（冷却手段）に通して冷却し、管路１５ａを通して炭酸ガスを回収容器１７内に回収するとともに、冷却器１５で凝縮した水分を管路１５ｂに分離する。回収容器１７には十分な容量をもたせているので、ここに貯蔵した炭酸ガスは、大気中に放出されることなく、発電所内等での雑用ガス等として任意の時期に有効利用される。
【００２９】
冷却の際に分離した水分は、上記の管路１５ｂを通すことにより、管路１３ａに供給する原料ガス中に含める。水分を含む原料ガスがアノード極１０ａに供給されることにより、燃料電池１０での発電が円滑化する効果がある。
【００３０】
燃料電池１０のカソード極１０ｂには、管路１６ｂを経て送られる空気に、回収容器１７内に一旦回収した炭酸ガスの一部を管路１７ａから加えたガスを供給している。このようなガスがカソード極１０ｂにおいて反応し、炭酸イオンを発生してアノード極１０ａ側に移動させることにより、燃料電池１０が電気エネルギーを生じることになる。カソード極１０ｂからは窒素の多い高圧の（約５ｋｇｆ／ｃｍ２）ガスが排出されるため、それを管路１６ａにて発電用の膨張タービン１８に供給し、補助的な発電を行っている。そしてここで膨張し低温度になったガスを、上記の管路１６ｂを通してガス冷却器１５の冷却用媒体とする。
【００３１】
この発電装置１にはつぎのような利点がある。まず、カソード極１０ｂにおいて利用されない余剰の炭酸ガスを回収容器１７内に回収し貯蔵するので、原料ガス中に多量の炭素系ガスが含まれていたり、またはその含有量が仮に大幅に変動したりても、発電装置１を円滑に運転しながら大気中への炭酸ガスの放出を防止できる。水分や窒素、水素など無用の成分が少ない高純度の炭酸ガスを回収容器１７からカソード極１０ｂに供給できるため、燃料電池１０での発電を円滑化できる効果もある。また、原料ガスを燃焼器１３で加熱したうえアノード極１０ａに供給すること、アノード排ガスから分離した水分を原料ガス中に加えること、およびカソード極１０ｂを出たガスの余剰エネルギーにて発電用タービン１８を駆動すること、などの複合的な作用により、高効率の発電ができる。
【００３２】
発明についての他の実施形態を図２に示す。図２の発電装置２も溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２０を中心として発電をする装置である。この発電装置２では、アノード極２０ａに供給する原料ガスを、廃棄物のガス化炉２１によって発生させる点にも特徴がある。
【００３３】
廃棄物ガス化炉２１は、炭素化合物を含む可燃性廃棄物を原料として、一酸化炭素や水素などのガス化ガス（可燃性ガス）を製造する装置である。すなわち、補助燃料を供給して加熱しながら炭素化合物に酸素や水素、炭酸ガスを反応させることにより、ガス化ガスとして一酸化炭素や水素などを発生させる。可燃性廃棄物の多くは炭素成分の多いものであるから、発生するガス中には一酸化炭素や炭酸ガスなど炭素系のガスが多い。
【００３４】
ガス化炉２１にて発生した高温のガス化ガスは、廃熱ボイラ２２に通すことにより、暖房等に使用できる水蒸気を発生させるとともにガス温度を適温に下げ、そのうえで、原料ガスとして燃料電池２０のアノード極２０ａに供給する。
【００３５】
アノード極２０ａに通したのちの原料ガス（アノード排ガス。未反応の可燃成分を含む）は燃焼器２３に送り、補助燃料と酸素とを加えて高温で燃焼させ、発電用ガスタービン２４の動力とする。ガスタービン２４を出たガスはガス冷却器２５にて空気で冷却し、炭酸ガス分離器２６にて水分と分離し、炭酸ガスを回収容器２７内に回収する。回収されて回収容器２７内に貯蔵される炭酸ガスは、たとえばガス化炉２１に反応ガスとして供給し、または発電所内の各種装置のシール等のために使用して、不使用のまま大気中に放出することをしない。また、分離器２６に貯蔵される水分も発電所内で有効利用し、その一部をアノード極２０ａへの原料ガス中に含めるとよい。
【００３６】
回収容器２７内に貯蔵した炭酸ガスの一部は、冷却器２５に通して温度上昇した冷却用空気の中に加え、その空気とともに燃料電池２０のカソード極２０ｂに供給する。このガスの作用で燃料電池２０内に炭酸イオンが発生し、それが移動することによって電流が生じるという点は前述したとおりである。カソード極２０ｂから発生するガスには５ｋｇｆ／ｃｍ２前後の圧力があるため、これを発電用タービン２８に供給して、発電装置２のトータルでの発電効率を向上させる。
【００３７】
この発電装置２でも、回収容器２７によって余剰の炭酸ガスを回収・貯蔵するので、原料ガス中に多量の炭素系ガスが含まれ、または廃棄物の組成にばらつきがあるなどしてその炭素系ガスの含有量が大幅に変動しても、運転面または環境面での不都合が生じない。カソード極２０ｂからの排ガスのエネルギーにて発電用タービン２８を駆動することに加え、燃焼器２３で燃焼させたガスによっても発電用タービン２４を駆動するため、発電装置２の全体としての発電効率はかなり高いといえる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に記載した発電方法によると、炭素成分が多量に含まれるガスを原料ガスとする場合にも、炭酸ガスについて発生量と使用量とをバランスさせ、大気中への放出をなくす（または減らす）ことができる。つまり、回収した炭酸ガスを種々の工業的操作のために経済的に供給できるようになり、また地球温暖化防止の点でも好ましい効果がもたらされる。
また、請求項６に記載の発電装置によれば、請求項１の発電方法を適切に実施してその効果を得ることができる。また、回収容器に回収した純度の高い炭酸ガスを利用して燃料電池での発電効率を向上させ得るというメリットもある。
【００３９】
請求項２に記載の発電方法および請求項７に記載の発電装置によれば、アノード極での反応を活発かつ安定的に行わせて発電効率を向上させることができる。
【００４０】
請求項３に記載の発電方法および請求項８に記載の発電装置によれば、燃料電池において利用されなかったエネルギーを有効に利用して、一層に高効率の発電を行うことができる。
【００４１】
請求項４に記載した発電方法および請求項９に記載の発電装置は、廃棄物のガス化によって得られるガスを有効に利用し、しかも、発生する炭酸ガスの大気中への放出を抑制するものであるから、資源の有効利用と環境保護の両面で好ましい。
【００４２】
請求項５に記載の発電方法によれば、系内の水分を利用して、燃料電池での反応を円滑化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施に関する一形態を示す図であって、発電装置１の全体的な系統図である。
【図２】発明の実施についての他の形態を示す図であって、発電装置２の全体的な系統図である。
【図３】燃料電池に供給したガスに対して余剰となり得る炭酸ガスの割合（余剰率）をガスの種類ごとに示す線図である。
【図４】燃料電池を使用する従来の発電装置を示す系統図である。
【符号の説明】
１・２　発電装置
１０・２０　燃料電池
１０ａ・２０ａ　アノード極
１０ｂ・２０ｂ　カソード極
２１　廃棄物ガス化炉
１３・２３　燃焼器（燃焼手段）
１５・２５　ガス冷却器（冷却手段）
１７・２７　ガス回収容器
【図１】
2004014124.tif 000003
【図２】
2004014124.tif 000004
【図３】
2004014124.tif 000005
【図４】
2004014124.tif 000006