(57)【要約】【課題】気相中の二酸化炭素成分を効率的かつ低廉に回収しさらに有効利用する。【解決手段】汚泥消化槽１で汚泥消化ガス中の二酸化炭素成分を除去してメタンに富むガスを得るメタン濃縮手段２と、メタン濃縮手段２で得たメタン濃縮ガスが燃料ガスとして供給されるガスタービン３と、を備えたガスタービン発電システムであって、メタン濃縮手段２は、ナトリウムイオン交換機能を有するポリマーからなる電解質膜と、前記電解質膜に設けられナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、前記電解質膜に設けられ汚泥消化ガスが供されるカソードと、を備え、この両極間に直流電圧を印加してカソード側において汚泥消化ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去する。被処理ガスは水酸化ナトリウム水溶液等の液滴と接触させるとよい。生成した炭酸塩水溶液はｐＨ調整剤として水処理システムの硝化工程に供するとよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥消化ガス中の二酸化炭素成分を除去してメタンに富むガスを得るメタン濃縮手段と、メタン濃縮手段で得たメタン濃縮ガスが燃料ガスとして供給されるガスタービンと、を備えたガスタービン発電システムであって、
メタン濃縮手段は、ナトリウムイオン交換機能を有するポリマーからなる電解質膜と、
前記電解質膜に設けられ、ナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、
前記電解質膜に設けられ、汚泥消化ガスが供されるカソードと、を備え、
この両極間に直流電圧を印加してカソード側において汚泥消化ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去すること
を特徴とするガスタービン発電システム。
【請求項２】
ナトリウムイオンを透過する電解質膜を設置してアノード室とカソード室を形成すると共に、アノード室に前記炭酸塩の水溶液を供給する経路と、カソード室に水を供給する経路と、を備え、前記両室の液相間に直流電圧を印加してカソード室において水酸化ナトリウムを生成する再生槽と、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液を前記メタン濃縮手段に供給する経路と、を具備したこと
を特徴とする請求項１記載のガスタービン発電システム。
【請求項３】
前記カソードで生成した炭酸塩に強酸の水溶液を供する酸供給経路と、
ナトリウムイオンを透過する電解質膜を設置してアノード室とカソード室を形成すると共に、アノード室に炭酸塩と塩酸水溶液との反応によって生じた塩の水溶液を供給する経路と、カソード室に水を供給する経路と、を備え、前記両室の液相間に直流電圧を印加してカソード室において水酸化ナトリウムを生成する再生槽と、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液を前記メタン濃縮手段に供給する経路と、を具備したこと
を特徴とする請求項１記載のガスタービン発電システム。
【請求項４】
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液が供給され、この水溶液のナトリウムイオン濃度及び前記メタン濃縮手段のアノードへの供給量を一定に制御する調整槽とを備えたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。
【請求項５】
直流電圧を印加する電源は、電流密度が可変であること
を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。
【請求項６】
前記メタン濃縮手段は、被処理ガスに、水蒸気を供給するための経路を設けたこと
を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。
【請求項７】
水蒸気は、ガスタービンから得た熱によって得たこと
を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。
【請求項８】
メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、都市ガス等を導入するための混合器を備えたこと
を特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。
【請求項９】
メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、メタン濃縮手段で得たメタン濃縮ガスを一時的に貯留するためのガスホルダーを備えたこと
を特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のガスタービンガスタービン発電システム。
【請求項１０】
前記炭酸ガスを含んだガスを一時的に貯留し、その後、メタン濃縮手段に供給するためのガスホルダーを備え、
該ガスホルダーは、該メタン濃縮手段で得たガスを導入するための経路と、ホルダー内のガスをガスタービンに供給するための経路と、を具備したこと
を特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１１】
メタン濃縮手段のアノードに供される被処理ガスを水若しくは水酸化ナトリウム水溶液の液滴と接触させるスクラバーとを備えたこと
を特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。
【請求項１２】
メタン濃縮手段から排出された炭酸塩水溶液をｐＨ調整剤として水処理システムにおける硝化工程に供すること
を特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。
【請求項１３】
被処理ガスは汚泥消化ガスであること
を特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。
【請求項１４】
前記ポリマーからなる電解質膜は、塩化ビニル樹脂またはフッ素樹脂を基材とすること
を特徴とする請求項１３記載のガスタービン発電システム。
【請求項１５】
前記電解質膜は、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物を母体とするスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、フェノールスルホン酸樹脂のいずれかを含んで形成した
を特徴とする請求項１４記載のガスタービン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相に含まれる温室効果ガス、特に汚泥消化槽から排出された汚泥消化ガスに含まれるメタン及び炭酸ガス等の温室効果ガス、を分離回収し、有効利用するためのガスタービン発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９９８年１２月、京都市で、２０００年以降における地球温暖化防止のための新たな国際的枠組みを決定する気候変動枠条約第３回締約国会議（地球温暖化防止会議、ＣＯＰ３）が開催された。京都会議では、先進国全体の温室効果ガスを２００８〜２０１２年において１９９０年比５％強削減する数値目標などを含む「京都議定書」が採択され、この中で我が国についての数値目標は１９９０年比６％削減とされている。
【０００３】
温室効果ガスの人為的排出の多くを占めるのが、エネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素（ＣＯ２）である。我が国は、石油危機以降積極的な省エネルギー努力を行った結果、産業部門のエネルギー利用効率は世界最高水準にあり、ＧＤＰ当りの一次エネルギー消費も米国の約３分の１、ドイツの約２分の１と他の先進国と比較して低い水準にある。
【０００４】
しかし、近年の運輸、民生部門を中心としたエネルギー消費の著しい伸びに伴い、エネルギー起因の二酸化炭素排出量は１９９５年度には１９９０比８％強の大幅な増加となっている。このことから、京都議定書の目標の達成に向けては、直ちに最大限の対策に着手していく必要がある。
【０００５】
京都議定書において、温室効果ガスは二酸化炭素（ＣＯ２）、メタンガス（ＣＨ４）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）の６種類とされているが、我が国における温室効果ガスの排出量は１９９５年度において１９９０年度比８．６％増加している。このうち、全体の９割近くを占めるとともに、経済社会活動全体と密接な関わりを持つのがエネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素である。
【０００６】
我が国におけるこれらのエネルギー起因の二酸化炭素排出量は１９８０年代後半から急激な増加傾向にあり、特に近年は運輸、民生部門の伸びが著しく、１９９５年度には１９９０年度比８．１％の大幅な増加となっている。したがって、我が国で今後国内の温室効果ガス対策を考える際の中心的課題となるのが、運輸、民生部門での対策強化をはじめとしたエネルギー起因の二酸化炭素削減対策である。
【０００７】
尚、二酸化炭素については、正確な量の把握は難しいものの森林等の働きによって吸収されるといわれており、また二酸化炭素固定技術に関する研究開発も進められている。さらに、代替フロン類（ＨＦＣ，ＰＦＣ及びＳＦ６）については半導体洗浄や製品の中の冷媒として使われ、市中に残存しているものを回収し、分解するための技術開発等が進められている。
【０００８】
このように、温室効果ガス対策の全体において、ガスの排出削減対策を進める一方で、森林・農地の保全・整備や代替フロン類の回収に係る装置創りなど、ガスの吸収・固定や回収・分離等に係る各種の対策を進めることも極めて重要である。
【０００９】
排ガスのＣＯ２排出濃度としては、排ガス中でディーゼルエンジンが約１０％、ボイラーで約１３％、下水処理場、食品工場の消化ガスで約４０％である。
【００１０】
現在、多くの分野で二酸化炭素を分解・回収するための方法及び装置等の開発が進められている。特に、室温付近においてはゼオライト触媒などを用いて吸着・脱着する圧力スイング法（非特許文献１）、高分子膜を用いた膜分離法（特許文献１）、水及びアルカリ水溶液などへ溶解する方法（非特許文献２）などが開発され、これらが主流となっている。
【００１１】
【非特許文献１】
長倉三郎他編「理化学辞典」、岩波書店
【００１２】
【特許文献１】
特許第２５２１８８４号公報（第２〜４頁）
【００１３】
【非特許文献２】
化学大辞典編集委員会編「化学大辞典」、共立出版
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
圧力スイング法は、ゼオライトなどの二酸化炭素吸着性物質を充填し、二酸化炭素を吸着させている。そして、吸着が飽和した後は、低圧若しくは高温状態に保持し、吸着した二酸化炭素を放出している。しかしながら、この方法を用いる場合、二酸化炭素以外に水成分も吸着されるため、前段に脱水装置を設ける必要がある。また、連続処理が不可能であり、処理塔を最低２つ必要、加温設備、真空装置設備などの付加設備が必要で大規模な設備となる。
【００１５】
高分子膜を用いた膜分離法は、二酸化炭素選択透過性の膜（ポリ（［１−トリメチルシリル］）プロピレン、ポリジメチルシロキサン等）の一方に加圧ガスを導入し、二酸化炭素を選択的に透過させ、二酸化炭素濃度を高める方法である。しかしながら、かかる方法では、膜自身に受けるガス圧力・二酸化炭素透過性を最適化するのが難しく高価となる。また、一般に、二酸化炭素の他に窒素、酸素などの気体も透過するため、完全な分離は困難となる。さらに、ガス加圧装置などの付加設備も大型となる。
【００１６】
水及びアルカリ水溶液などへ溶解する方法は、大きく二つの方法がある。第一の方法は、水酸化ナトリウム水溶液に二酸化炭素を吸収させて炭酸塩（Ｎａ２ＣＯ３）となる現象を用いたものである。
【００１７】
２ＮａＯＨ  ＋  ＣＯ２  →  Ｎａ２ＣＯ３  ＋  Ｈ２Ｏ
かかる手段は非常に簡単な方法であるが、生成した炭酸塩（Ｎａ２ＣＯ３）の後処理が困難であり（塩酸による中和）、これまでは加熱・乾燥後廃棄処分されているのが現状である。
【００１８】
また、第二の方法は、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）の熱分解・吸収法を利用している。
【００１９】
２ＮａＨＣＯ３  →  Ｎａ２ＣＯ３  ＋  ＣＯ２  ＋  Ｈ２Ｏ  （６５℃以上）
Ｎａ２ＣＯ３  ＋  ＣＯ２  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ２ＮａＨＣＯ３  （室温〜５０℃）
かかる方法では、炭酸水素ナトリウムの二酸化炭素に対する吸収量及び吸収速度が水酸化ナトリウム水溶液に対して非常に遅いため非効率となる。
【００２０】
このように、上記二酸化炭素の除去技術は大掛かりな装置が必要であること、また前記膜分離法はイニシャルコスト及びランニングコストが高く、さらに除去率が低いという問題がある。特に、温室効果ガスの大部分を占める二酸化炭素の排出源のほとんどは、下水処理場や工場であることからも、これら施設のランニングコストも考慮した二酸化炭素固定装置の構築が必要となる。
【００２１】
また、下水処理場や食品工場における汚泥処理施設の汚泥消化工程から排出された汚泥消化ガスの組成は、およそメタン６０％、二酸化炭素４０％程度となっている。そこで、この汚泥消化ガスに含まれているメタンガスは、ガスタービン発電システムの燃料として有効利用が期待されている。
【００２２】
ところが、汚泥消化ガス中のメタン濃度が低いために、ガスタービン発電システムの発電効率が低くなるという欠点がある。
【００２３】
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その課題は、気相中の二酸化炭素成分を効率的かつ低廉に回収し、さらに有効利用させることが可能な、ガスタービン発電システムの提供にある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は以下のことを特徴とする。
【００２５】
請求項１記載の発明は、汚泥消化ガス中の二酸化炭素成分を除去してメタンに富むガスを得るメタン濃縮手段と、メタン濃縮手段で得たメタン濃縮ガスが燃料ガスとして供給されるガスタービンと、を備えたガスタービン発電システムであって、
メタン濃縮手段は、ナトリウムイオン交換機能を有するポリマーからなる電解質膜と、
前記電解質膜に設けられ、ナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、
前記電解質膜に設けられ、汚泥消化ガスが供されるカソードと、を備え、
この両極間に直流電圧を印加してカソード側において汚泥消化ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去することを特徴とする。
【００２６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスタービン発電システムにおいて、ナトリウムイオンを透過する電解質膜を設置してアノード室とカソード室を形成すると共に、アノード室に前記炭酸塩の水溶液を供給する経路と、カソード室に水を供給する経路と、を備え、前記両室の液相間に直流電圧を印加してカソード室において水酸化ナトリウムを生成する再生槽と、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液を前記メタン濃縮手段に供給する経路と、を具備したことを特徴とする。
【００２７】
請求項３記載の発明は、請求項１記載のガスタービン発電システムにおいて、前記カソードで生成した炭酸塩に強酸の水溶液を供する酸供給経路と、
ナトリウムイオンを透過する電解質膜を設置してアノード室とカソード室を形成すると共に、アノード室に炭酸塩と塩酸水溶液との反応によって生じた塩の水溶液を供給する経路と、カソード室に水を供給する経路と、を備え、前記両室の液相間に直流電圧を印加してカソード室において水酸化ナトリウムを生成する再生槽と、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液を前記メタン濃縮手段に供給する経路と、を具備したことを特徴とする。
【００２８】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液が供給され、この水溶液のナトリウムイオン濃度及び前記メタン濃縮手段のアノードへの供給量を一定に制御する調整槽とを備えたことを特徴とする。
【００２９】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、直流電圧を印加する電源は、電流密度が可変であることを特徴とする。
【００３０】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、前記メタン濃縮手段は、被処理ガスに、水蒸気を供給するための経路を設けたことを特徴とする。
【００３１】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、水蒸気は、ガスタービンから得た熱によって得たことを特徴とする。
【００３２】
請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、都市ガス等を導入するための混合器を備えたことを特徴とする。
【００３３】
請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載のガスタービンガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、メタン濃縮手段で得たメタン濃縮ガスを一時的に貯留するためのガスホルダーを備えたことを特徴とする。
【００３４】
請求項１０記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の発電システムにおいて、前記炭酸ガスを含んだガスを一時的に貯留し、その後、メタン濃縮手段に供給するためのガスホルダーを備え、
該ガスホルダーは、該メタン濃縮手段で得たガスを導入するための経路と、ホルダー内のガスをガスタービンに供給するための経路と、を具備したことを特徴とする。
【００３５】
請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段のアノードに供される被処理ガスを水若しくは水酸化ナトリウム水溶液の液滴と接触させるスクラバーとを備えたことを特徴とする。
【００３６】
請求項１２記載の発明は、請求項１から１１のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段から排出された炭酸塩水溶液をｐＨ調整剤として水処理システムにおける硝化工程に供することを特徴とする。
【００３７】
請求項１３記載の発明は、請求項１から１２のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、被処理ガスは汚泥消化ガスであることを特徴とする。
【００３８】
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載のガスタービン発電システムにおいて、前記ポリマーからなる電解質膜は、塩化ビニル樹脂またはフッ素樹脂を基材とすることを特徴とする。
【００３９】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載のガスタービン発電システムにおいて、
前記電解質膜は、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物を母体とするスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、フェノールスルホン酸樹脂のいずれかを含んで形成したを特徴とする。
【００４０】
請求項１から１５記載の発明におけるメタン濃縮処理は、ナトリウムイオン源が導入されるアノードに直流電源の陽極が導通され、被処理ガスが導入されるカソードに同電源の陰極が導通され、両極間に直流電圧を印加することによって行われる。このとき、アノード側で遊離した電子は当該直流電源を介してカソードに移行し、また同アノードで遊離したナトリウムイオンは固体電解質を介して移動する。ここで、カソード側に滞留している二酸化炭素成分は、該カソード表面に接触すると、その表面において、炭酸塩（炭酸ナトリウムまたは炭酸水素ナトリウム）の形態で分離除去される。したがって、被処理ガス中のメタンガスを濃縮させることが可能となり、ガスタービンの発電効率が向上する。二酸化炭素の除去量は電流密度に依存するので、被処理ガスの負荷量に応じた電流密度で設定すれば、より低廉なメタン濃縮が可能となる。尚、電流密度を調節する一つの手段として、印加電圧の調整がある。
【００４１】
また、請求項５記載の発明のように、被処理ガス中に酸素または水蒸気を含ませると、カソード側における脱炭酸ガス反応はより促進され且つ連続的な炭酸ガスの除去が可能となる。さらに、得られた炭酸塩はナトリウムイオン源として再利用でき、ランニングコストの削減も可能となる。
【００４２】
さらに、請求項６記載の発明のように、メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、都市ガス等を導入するための混合器を備えることで、消化ガスを都市ガスあるいはＬＰＧとデュアルフェール化させることできるので、有料燃料の消費量の低減が可能となる。
【００４３】
さらに、請求項７記載の発明によれば、被処理ガス供給量の変動に影響を受けることなく、ガスタービンの運転状況に対応して高カロリー燃料の供給を行うので、ガスタービンにおける発電効率が維持される。
【００４４】
また、請求項１１記載の発明のように、被処理ガスをアソードに供する前に、スクラバーにおいて、水若しくは水酸化ナトリウム水溶液の液滴と接触させてやれば、ガス中のおおまかな二酸化炭素成分は前記微細液体粒子に捕捉されるので、カソードに対する負荷が軽減され、二酸化炭素除去時及び水素ガス生成時の省電力化及び装置システムの小型化が図れる。そして、スクラバーから供給された被処理ガスはより水分を含んでいるので、より多くの水素ガスの生成が可能となると同時に、吸蔵させた炭酸塩を容易に水溶液化させることができる。このことは、連続的な二酸化炭素の除去及び水素ガスの生成も可能となる。
【００４５】
さらに、前記炭酸塩はｐＨ調整剤として使用できるので、請求項１２記載の発明のように水処理システムに供すれば、同システムにおける硝化脱窒作用を安定させることができる。
【００４６】
そして、請求項１３記載の発明のように、汚泥消化ガスを被処理ガスとすれば、ガス中のメタンガスを高濃度に濃縮できるので、水処理システム等から排出された汚泥消化化ガスを燃料電池、ガスタービン等の燃料や、燃料として売却するなどの有効利用に供することができる。
【００４７】
尚、ガスタービンとしては、発電機用に用いられるガスタービン例えば３００ｋＷ以下の一軸式再生サイクル形ガスタービン等が挙げられる。
【００４８】
また、ナトリウムを含んだ化合物の水溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）水溶液、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）水溶液、リン酸三ナトリウム（Ｎａ３ＰＯ４）水溶液、リン酸水素二ナトリウム（Ｎａ３ＨＰＯ４）またはリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ３ＰＯ４）等がある。
【００４９】
【発明の実施の形態】
発明者らは、本発明に係るガスタービン発電システムの創出にあたり、以下のガス処理処理システムを発案した。図６は、そのガス処理システムの概略図である。
【００５０】
ガス処理装置２０は、ナトリウム化合物の水溶液が供給されるアノード２０１と被処理ガスが供給されるカソード２０２とを設けた電解質膜２００と、この両極間に直流電圧を印加する電源２０３と、を備えている。
【００５１】
電解質膜２００は、ナトリウムイオンの導電体からなるものが用いられる。ナトリウムイオン導電体には、例えばナトリウムイオン交換機能を有するポリマー製電解質膜が採用される。前記電解質膜としては、フッ素樹脂または塩化ビニル樹脂を基材とするものがある。さらには、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物を母体とするスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、またはフェノールスルホン酸樹脂等を含ませて形成したものがある。
【００５２】
ナトリウム化合物水溶液には、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）水溶液または炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）水溶液等が採用される。
【００５３】
アノード２０１とカソード２０２としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉ、若しくはこれらの酸化物等が例示され、多孔質性の電極が用いられる。当該電極は、電解質膜２００において、スクリーン印刷、はけ塗り、蒸着、溶射、ディップコーティング等によって形成される。
【００５４】
電源２０３は、直流電圧を印加する機能を有するものが採用され、既知のものでよい。電圧を印加するための電源は、一般の定電位電源（ポテンションスタット等）を用いることができるが、電流密度が可変であるものを用いるとよい。尚、電流密度を調節する一つの手段として、印加電圧の調整がある。
【００５５】
ここで、図７及び図８にガス処理装置２０の実施形態例を示した。
【００５６】
図７（ａ）に示したガス処理装置は、アノード２０１とカソード２０２を備えた電解質膜２００を、アノード側枠体７１とカソード側枠体７２とで挟み込んで構成されるセル７０となっている。このとき、アノード側枠体７１には、ナトリウム化合物水溶液（図においてはＮａ＋源と呼称）を一時的に滞留させる流路が設けられ、この水溶液を供給するための供給管２０４と、この水溶液を排出するための排出管２０５と、が接続される。同様に、カソード側枠体７２には、被処理ガスを一時的に滞留させる流路が設けられ、被処理ガスを供給するための供給管２０６と、処理ガスを排出するための排出管２０７と、が接続される。また、アノード側枠体７１及びカソード側枠体７２の流路において、迂流板７２３が設けられている。図７（ａ）に開示されたカソード側枠体においては、迂流板７２３は一枚設置されているが、これに限定されず、図７（ｂ）に示した枠体７１，７２のように、複数備えてもよい。かかる構成により、被処理ガス及びナトリウム化合物水溶液を電解質膜２００のアノード面及びカソード面に対し均一に供給することができるので、二酸化炭素除去効率が高まる。
【００５７】
また、セル構造を成したガス処理装置は、図７（ｃ）に示したように、被処理ガスの負荷量等に応じて複数設置される。当該形態に係るガス処理装置は、セル７０が３枚設置された構成となっている。このとき、装置の側面には、マニホールド７３，７４，７５，７６が設置される。マニホールド７３には、被処理ガスを供給するための供給管２０６が接続されている。マニホールド７４には、処理ガスを排出するための排出管２０７が接続されている。マニホールド７５には、ナトリウム化合物水溶液を供給するための供給管２０４が接続されている。マニホールド７６には、ナトリウム化合物水溶液を排出するための排出管２０５が接続されている。
【００５８】
図８（ａ）は、二枚の電解質膜２００を積層した場合の構成例である。積層枚数は被処理ガスの負荷量等によって定まる。図示されたように、２枚の電解質膜２００が、セパレータ８２を介して、積層され、上下からそれぞれプレート８１，８３が設けられている。このとき、プレート８１には、ナトリウム化合物水溶液（図においてはＮａ＋源）の流路が設けられている。セパレータ８２の上面には、被処理ガスの流路が設けられ、また下面には、ナトリウム化合物水溶液の流路が設けられている。セパレータ４３には、被処理ガスの流路が設けられている。そして、図８（ｃ）に示されたように、被処理ガスの流入側には供給管２０６を設けたマニホールド８４が、処理ガスの排出側には排出管２０７を設けたマニホールド８５が設置される。また、ナトリウム化合物水溶液の流入側には、流入管２０４を設けたマニホールド８６が、さらに排出側には、排出管２０５を設けたマニホールド８７が設置される。尚、図８（ｂ）に示したように、プレート８１，８３及びセパレータ８２に設けられた流路には、複数の仕切板８２１を設けるとよい。かかる構成により、被処理ガス及びナトリウム化合物水溶液を電解質膜２００のアノード面及びカソード面に対し均一に供給することができるので、二酸化炭素除去効率が高まる。
【００５９】
図６において、ナトリウム化合物の水溶液（Ｎａ＋源）は、調整槽２４から循環ポンプによって経路２４２を介して供給管２０４から供給される。余剰のナトリウム化合物水溶液は、排出管２０５から経路２４１を介して返送される。
【００６０】
調整槽２４は、アノード２０１に供給するためのナトリウム化合物水溶液を一時的に貯留するためのタンク２４を備える。このとき、タンク２４０内液相のナトリウムイオン濃度は一定に調整される。そのために、調整槽２４は、ナトリウムイオン濃度を測定するためのイオン濃度測定手段２４４と、高濃度ナトリウムイオン源や水を供給するための経路２４３とを備え、さらに、経路２４３には、タンク２４０内液相のイオン濃度に基づき開閉動作するバルブ手段を設けている。イオン濃度測定手段としては、例えば、ｐＨ測定機能を備え、ｐＨ値に基づきナトリウムイオンの濃度を算出している。
【００６１】
被処理ガスは、図示省略されたブロアーまたはファン等の移送手段によって経路２１０を介して供給管２０６からガス処理装置２０内に供給される。二酸化炭素が除去されたガスは、排出管２０７から経路２３１を介して気液分離槽２３を経た後、経路２３２を介して系外移送される。気液分離槽２３は、炭酸塩の水溶液を滞留させて導入したガスを洗浄する。
【００６２】
また、本実施形態では、経路２１０に、被処理ガスに水（水蒸気でもよい）を供給する水供給手段２１を具備させている。水供給手段２１は、被処理ガスに水分を供給できるものであれば既知のものよい。例えば、スプレー式のもの等が採用される。水供給手段２１によって、カソード２０１で生成した炭酸塩を容易に水溶液化させることができるので、炭酸塩を系外除去しやすくなり、連続的な二酸化炭素の除去ができる。炭酸塩水溶液は、気液分離槽２３に捕集され、ナトリウムイオン源として再利用できる。
【００６３】
さらに、本実施形態においては、吸蔵させた炭酸塩から水酸化ナトリウムの水溶液を得るための再生槽２５を具備している。
【００６４】
再生槽２５の実施形態例の概略を図５に示した。図９（ａ）は炭酸塩水溶液が供された場合、図９（ｂ）は炭酸水素水溶液が供された場合の形態例である。
【００６５】
再生槽２５は、炭酸塩水溶液が供給される槽２５０がイオン導電体２５４で仕切られた２槽構造となっている。そして、炭酸塩水溶液が供給される槽には直流電源２５３の陽極と導通可能なアノード２５１が設置され、また他方の槽には、純水が供給され、同電源２５３の陰極と導通可能なカソード２５２が設置されている。イオン導電体２５４は、ナトリウムイオンと水素イオンとを通過させることができるものであれば公知のものでよい。また、イオン導電体２５４は、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）と水素イオン（Ｈ＋）が同時に透過するものまたはそれぞれイオンが透過する２つのイオン導電体の組み合わせたものが採用される。イオン導電体としては、例えば、ＮＡＳＩＣＯＮ、β−アルミナなどの、ナトリウムイオン導電性セラミックや、ナフィオンに代表されるナトリウムイオン透過性の電解質膜がある。また、その他の電解質膜としては、先で述べたフッ素樹脂、塩化ビニル樹脂またはスルホン酸樹脂等を含ませて形成したものがある。
【００６６】
次に、図６及び図９を参照しながら、当該ガス処理システムの動作例について説明する。ここでは、ナトリウムイオン源が水酸化ナトリウム水溶液（以下、ＮａＯＨ水溶液）で、被処理ガスがＣＨ４とＣＯ２とを含んだガスである場合について述べる。
【００６７】
当該ガス処理システムにおける二酸化炭素ガス除去は、アノード２０１とカソード２０２のと間に直流電圧を印加することによって行われる。
【００６８】
すなわち、図６において、アノード２０１側には供給管２０４からＮａＯＨ水溶液が供給され、アノード２０１はこのナトリウムイオン源によって浸漬された状態となる。また、カソード２０２側には、供給管２０６から被処理ガスが供給される。ここでは、被処理ガスには、水供給手段２１から水または水蒸気が注入される。そして、アノード２０１とカソード２０２の両極間には電源２０３から直流電圧が印加される。このとき、先ずＮａＯＨが接触したアノード２０１表面においては、以下の反応が起こる。
【００６９】
ＮａＯＨ  →  Ｎａ＋＋ＯＨ−  …（１）
２ＯＨ−  →  １／２Ｏ２  ＋Ｈ２Ｏ＋  ２ｅ−  …（２）
そして、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）は、アノード２０１を通過し、電解質膜２００を泳動し、カソード２０２に達する。一方、アノード２０１側で遊離した電子（ｅ−）は、電源２０３を経由して、カソード２０２に達する。
【００７０】
ここで、気相中の二酸化炭素（ＣＯ２）及び水分（Ｈ２Ｏ）がカソード２０２表面に接触すると、以下の反応が起こる。
【００７１】
Ｎａ＋＋ｅ−＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ  →  ＮａＨＣＯ３  ＋  １／２Ｈ２  …（３）
２Ｎａ＋＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｎａ２ＣＯ３  ＋  Ｈ２  …（４）
このようにして、被処理ガス中に含まれる二酸化炭素は、炭酸塩の形態でカソード２０２表面に固定されることで、分離除去される。そして、この反応に伴い水素ガスが生成される。このとき、生成した炭酸塩は、水に溶けた状態で存在し、生成と同時に電極表面から洗い落とされる。そして、生成した炭酸塩水溶液は気液分離槽２３にてガスと分離される。このようにして、二酸化炭素の除去を連続的に行うことができる。
【００７２】
ここで、図示されたように、経路２１０には、被処理ガスに液滴を接触させるスクラバー１５を備えるとなおよい。スクレバー２２は、例えばスプレー方式を採用している。液滴となる洗浄水としては、水または水酸化ナトリウム水溶液等がある。
【００７３】
被処理ガスをスクラバー２２に供すると、ガス中の二酸化炭素成分は、液滴と接触し、これに捕捉される。これにより、被処理ガス中のおおまかな二酸化炭素成分が除去される。また、これに伴い、ガス中に含まれたその他の成分、例えば硫化水素や硫黄酸化物または微細なホコリ成分等が除去されるので、被処理ガスがガス処理装置２０に導入されたとき、二酸化炭素成分とカソード２０２との接触効率が高まる。スクラバー２２を通過したガスは、直ちにガス処理装置２０に供され、残留した二酸化炭素成分が除去される。スクラバー２２にて処理されたガスは水成分をより含んでいるので、カソード２０２で生じた炭酸塩を容易に水溶液化させると共に、前記（３）及び（４）の反応を促進させることができる。このように、スクラバー２２を設けることで、ガス処理装置２０に対する二酸化炭素負荷量が軽減されるばかりか、より効率的に二酸炭素を除去できるばかりでなく、水素も生成させることができる。
【００７４】
一方、炭酸塩水溶液は、再生槽２５に供されると、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示したように、水酸化ナトリウム水溶液に変換される。
【００７５】
炭酸ナトリウムが供された場合、図９（ａ）に示したように、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）と炭酸イオン（ＣＯ３２−）に、水は若干の水素イオン（Ｈ＋）と水酸化物イオン（ＯＨ−）に電離している。この状態で、炭酸ナトリウム水溶液側をアノード（＋）、純水側をカソード（−）として電位をかけると、ナトリウムイオンと水素イオンはイオン導電体膜を透過していく。このとき、アノード（＋）側では、炭酸イオンと水酸化物イオンが平衡分圧・電位の影響により電子を放出して、炭酸イオンが二酸化炭素と酸素に、水酸化物イオンは酸素となって、大気中に放出される。反対に、カソード（−）側へ透過したナトリウムイオンは電極から電子を受け取り金属ナトリウムとなるが、水（Ｈ２Ｏ）と作用し、ＮａＯＨとＨ２が生成される。透過した水素イオンも電極から電子を受け取り水素ガスとなる。そして、十分時間が透過した後の、カソード（−）側は高濃度の水酸化ナトリウム水溶液となっており、炭酸ナトリウム水溶液を水酸化ナトリウム水溶液として分離・回収できる。また、この方式は水の電気分解も兼ね備えているため、水素の供給源としても利用できる。このようにして得られた水酸化ナトリウム溶液は、図示省略されたポンプ等の移送手段によって、調整槽２４に供給され、ナトリウムイオンの濃度が所定濃度（例えば５〜１０ｍｏｌ／ｌ）に調整された後に、ガス処理装置２０のアノード２０１に適宜供給される。ＮａＯＨ再生に係る反応を以下にまとめた。
【００７６】
2004176622.tif 000003
２Ｎａ＋と２Ｈ＋は、イオン導電体６４を介してカソード側へ移動する。
【００７７】
2004176622.tif 000004
また、ガス処理装置２０のカソード２０２において、十分な水（Ｈ２Ｏ）が存在した場合、温度が低いときは完全に炭酸ナトリウム水溶液とならず、炭酸水素ナトリウム水溶液となる場合がある。
【００７８】
図９（ｂ）は、この炭酸水素ナトリウムから水酸化ナトリウム水溶液を再生する場合の実施形態である。水酸化ナトリウム水溶液の再生の原理は図９（ａ）と同様である。すなわち、アノード２５１側の炭酸水素ナトリウム水溶液はナトリウムイオンと炭酸イオンとに電離し電極へ電子を放出して二酸化炭素及び酸素を放出する。分離したナトリウムイオンと水素イオンは、イオン導電体２５４を通って、カソード２５２側に移動し、水と反応して水素を発生しながら、水酸化ナトリウムとなる。得られた水素ガスは燃料ガスとして利用できる。このようにして得られた水酸化ナトリウム水溶液は、調整槽２４に供給され、ナトリウムイオンの濃度が所定濃度（例えば５〜１０ｍｏｌ／ｌ）に調整された後に、ガス処理装置２０のアノード２０１に適宜供給される。ＮａＯＨ再生に係る反応を以下にまとめた。
【００７９】
2004176622.tif 000005
２Ｎａ＋と２Ｈ＋は、イオン導電体６４を介してカソード側へ移動する。
【００８０】
2004176622.tif 000006
また、図１０（ａ）に、二酸化炭素除去する工程でカソード２０２に吸蔵した二酸化炭素成分を強酸によって遊離し放出する工程と、この工程で生成した塩から水酸化ナトリウムを再生する工程とを有するガス処理システムの概略を示した。
【００８１】
図１０（ａ）に示したように、当該ガス処理システムにおいて、被処理ガスを導入するための経路には、三方バルブＶ１（以下Ｖ１とする）を介して、強酸水溶液を供給するための経路が接続されている。また、ガス処理装置２０と気液分離槽２３とを連絡する経路には、三方バルブＶ２（以下Ｖ２とする）を介して、カソード２０２側で生成した塩化ナトリウム水溶液を再生槽２６に移送するための経路が接続されている。尚、強酸としては例えば塩酸が用いられる。
【００８２】
再生槽２６は、図１０（ｂ）に示されたように、塩化ナトリウム水溶液が供給される槽２６０がイオン導電体２６４で仕切られた２槽構造となっている。そして、塩化ナトリウム水溶液が供給される槽には直流電源２６３の陽極と導通可能なアノード２６１が設置され、また他方の槽には、水が供給され、同電源２６３の陰極と導通可能なカソード２６２が設置されている。ナトリウムイオンを通過させることができるものであれば公知のものでよい。例えば、先で述べたフッ素樹脂、塩化ビニル樹脂またはスルホン酸樹脂等を含ませて形成した電解質膜がある。
【００８３】
上記ガス処理システムの動作例について図１０及び図１１に基づき説明する。
【００８４】
二酸化炭素除去工程においては、図１１（ａ）に示されたように、Ｖ１は、被処理ガスをガス処理装置１に供給するように制御される。Ｖ２は、処理ガスを気液分離槽２３に供給するように制御される。当該工程におけるカソード１２での作用の説明は実施形態１に譲る。
【００８５】
二酸化炭素放出工程においては、図１１（ｂ）に示されたように、Ｖ１は、強酸水溶液をガス処理装置１に供給するように制御される。Ｖ２は、処理ガスを気液分離槽２３に供給するように制御される。当該工程は、二酸化炭素除去工程において被処理ガス中に含まれる二酸化炭素成分を捕獲して得た炭酸ナトリウムは弱酸と強塩基の化合物であることに着目し、弱酸の二酸化炭素の取出しを行っている。すなわち、当該炭酸塩に強酸ここでは塩酸水溶液を噴霧することで以下の反応を起こさせ、二酸化炭素の取出し系外に移送させている。
【００８６】
Ｎａ２ＣＯ３  ＋  ２ＨＣｌ  →  ２ＮａＣｌ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＋  ＣＯ２
また、炭酸水素ナトリウムを得ている場合には、これに強酸（例えば塩酸水溶液等）を噴霧することで以下の反応を起こさせ、二酸化炭素を取り出し系外に移送させる。
【００８７】
ＮａＨＣＯ３  ＋  ＨＣｌ  →  ＮａＣｌ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＋  ＣＯ２
かかる反応により上記炭酸塩は直ちに分解し、二酸化炭素が遊離される。このとき、副生されたナトリウム塩であるところの塩化ナトリウム水溶液はナトリウムイオン源再生工程に供される。
【００８８】
次いで、水酸化ナトリウムの再生工程では、図１０（ｂ）に示したように、アノード２６１には直流電源２６３の陽極が導通し、カソード２６２には同電源２６３の陰極と導通し、直流電圧が印加される。このとき、電気分解が進行し、カソード６２側の液相において水成分は水酸化物イオンと水素ガスに分解される。ここで、副生された水素ガスは、燃料ガスとして利用が可能となるばかりでなく、共に生成した塩素ガス共に塩酸の原料となり得るので、系外に移送され二酸化炭素放出工程に用いられる塩酸の生成に供することができる。一方、ナトリウムイオンはイオン導電体２６４を経て、カソード２５２側の水槽に移行し、該水槽内の液相は水酸化ナトリウムの水溶液となる。このようにして得られた水酸化ナトリウム水溶液は、適時濃度調整（例えば５〜１０ｍｏｌ／ｌに調整）された後、ガス処理装置２のアノード２０１に適時供給される。当該工程における反応を以下にまとめた。
【００８９】
2004176622.tif 000007
【００９０】
2004176622.tif 000008
以下に、ガス処理システムの実施例を示した。
【００９１】
図１２は、電流密度と二酸化炭素濃度及び水素濃度との関係を示した特性図である。
【００９２】
当該実験に係るガス処理システムは、図６記載のシステムにおいて図７記載のガス処理装置を用いたものを採用した。ここでは、セルサイズ２００ｍｍ×２００ｍｍの電解質を二枚積層（有効電極面積：６００ｃｍ２）したガス処理装置に、被処理ガス（ガス成分  二酸化炭素：４０％、窒素：６０％）を１ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。このとき、被処理ガスはスクラバーを介さないでガス処理装置のカソードに供給したまた、印加直流電圧は２．５Ｖに設定した。さらに、電解質はフッ素樹脂系のものを、ナトリウム化合物の水溶液には水酸化ナトリウム水溶液を、電極にはニッケルからなるものを採用した。
【００９３】
図示された結果から明らかなように、電流密度の上昇に伴い、二酸化炭素濃度が減少していくことが確認できる。また、当該実施例においては、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２時において二酸化炭素は完全に除去できたことも確認された。
【００９４】
ここで、当該実施例の結果に基づき算出した二酸化炭素除去に必要な電力、使用電力による二酸化炭素発生量（１分間）、二酸化炭素固定量（１分間）、水素発生量（１分間）を以下に示した。
【００９５】
二酸化炭素除去に必要な電力：２．５［Ｖ］×６０［Ａ］＝１５０［Ｗ］
使用電力による二酸化炭素発生量（１分間）：１５０×１／１０００×１／６０×０．１２／４４＝０．００７［ｍｏｌ］  尚、０．１２は、石油火力を電源として用いた時の二酸化炭素排出量を示す。
【００９６】
二酸化炭素固定量（１分間）：０．４［ｌ／分］×１［分］／２２．４［ｌ］＝０．０１８［ｍｏｌ］
水素発生量（１分間）：０．０１８［ｍｏｌ］
かかる計算結果から明らかなように、わずかな電力で二酸化炭素を効率的に除去でき、かつ固定した二酸化炭素と等モルの水素が発生することが確認できる。
【００９７】
また、表１に、被処理ガスをスクラバーに供した後にガス処理装置に供給した場合の各処理工程から排出されたガス、すなわちスクラバーを通過したガス（以下、第一処理ガス）及びガス処理装置から排出されたガス（以下、第二処理ガス）の組成を被処理ガスのガス組成と共に開示した。ここでは、被処理ガスの組成をメタン：二酸化炭素＝６０：４０としたこと以外は図１２記載の実施例と同様の条件でガスを処理した。
【００９８】
【表１】
2004176622.tif 000009
【００９９】
表に示された通り、第一処理ガスのメタンガス濃度は８５％、また二酸化炭素濃度は１５％となっていることが確認された。さらに、第二処理ガスにおいては、二酸化炭素が検出されず、可燃性ガスの濃度は１００％となっていることが確認された。このことは、スクラバーを本発明のガス処理装置と組み合わせることで、ガス処理装置に対する二酸化炭素負荷量が軽減され、二酸化炭素除去における省電力化及び装置システムの小型化が図れることを示唆するものである。尚、第二処理ガスは、そのメタンガス濃度から明らかなように、燃料電池、ガスタービン等の燃料や、燃料として売却するなどの有効利用に供することができるがわかる。
【０１００】
図１３は、本発明の実施例によるＩ−Ｖ特性を示した特性図である。
【０１０１】
実施例１に係るガス処理装置は電解質に塩化ビニル系の樹脂からなる電解質膜を、比較例に係るガス処理装置はセラミックス系の電解質を採用した。実施例１及び比較例は、ナトリウム化合物水溶液に５ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム水溶液を採用し、動作温度は室温の２０℃とした。図示された結果から明らかなように、電解質に塩化ビニル系樹脂の電解質膜を採用した実施例１においては、反応が始まってから電流の立ち上がりがよくなり、セラミックス系の電解質よりも、大幅な省電力化が可能であることが確認できる。
【０１０２】
また、図１４に実施例１による二酸化炭素の除去特性を示した。当該特性試験は、１００ｍＡ／ｃｍ２の定格電流方式で行った。電極面積は３００ｃｍ２に設定した。図から明らかなように、初期濃度約２０％の二酸化炭素は電流が流れ始めると同時に除去が始まり、約２０分で０．６％程度までに低減させることができることが確認できる。このとき、電流を停止すると、二酸化炭素濃度は上昇し始めることが確認された。そして、当該試験においては、二酸化炭素の除去率は９７％となることが確認された。また、二酸化炭素の除去率は電流が流れている間はほぼ一定に保持することも確認された。さらに、ナトリウムイオン供給源を供給続ければ、連続的に二酸化炭素を吸蔵することも確認されている。
【０１０３】
図１５は、本発明の実施例によるＩ−Ｖ特性を示した特性図である。
【０１０４】
実施例２に係るガス処理装置は電解質にフッ素樹脂系の電解質膜を、比較例に係るガス処理装置はセラミックス系の電解質を採用した。実施例２及び比較例は、ナトリウム化合物水溶液に５ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム水溶液を採用し、動作温度は８６℃とした。図示された結果から明らかなように、電解質にフッ素樹脂系電解質膜を採用した実施例２においては、反応が始まってから電流の立ち上がりがよくなり、セラミックス系の電解質よりも、大幅な省電力化が可能であることが確認できる。
【０１０５】
以上のように、本実施形態に係るガス処理システムによれば、ナトリウムイオン源の回収・再利用を行え、低廉に二酸化炭素を除去することができる。
【０１０６】
また、被処理ガスがメタンを含んだガス例えば汚泥消化ガスのようなガスである場合、このガスを本実施形態のガス処理システムに供することで、効率的に濃縮メタンガスを得ることができる。この濃縮メタンガスは、燃料電池やガスタービン等の燃料またはその他の燃料として売却するなどの有効利用が可能となる。
【０１０７】
以下に、本発明のガスタービン発電システムの実施形態例について述べる。
（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態例を示した概略図である。
【０１０８】
本実施形態のガスタービン発電システムは、例えば、有機性汚泥を嫌気的に処理する汚泥消化槽１を備えた汚泥処理施設に設置され、汚泥消化槽１から排出された汚泥消化ガスを導入し、該ガスから二酸化炭素を除去してメタンに富むガスを得るメタン濃縮手段２と、該メタン濃縮手段から排出されたメタン濃縮ガスが燃料として導入されるガスタービン３とを備える。当該システムにおいては、低発熱量ガスである汚泥消化ガスをメタン濃縮手段２により高発熱量ガスへ変換し利用している。
【０１０９】
メタン濃縮手段２としては、図６記載のガス処理システムが採用される。メタン濃縮手段の構成及び動作例の詳細な説明は、前述の図６〜図１１に基づく説明に譲る。
【０１１０】
ガスタービン３としては、例えば３００ｋＷ以下の一軸式再生サイクル形ガスタービンが用いられ、当該システムによって、汚泥消化ガスを非常用電源の燃料としての利用が可能となる。
【０１１１】
表２に、本発明に係るガスタービン発電システムにおける発熱量を、比較例と共に、開示した。ここでは、定格運転する場合必要な燃料流量が４４０ＭＪ／時である一軸式再生サイクル形ガスタービンを運転する場合の発熱量（ＭＪ／ｍ３）の結果を開示している。尚、試料ガスである汚泥消化ガスにおけるガス組成は、体積比でメタンが６０％で二酸化炭素が４０％であった。
【０１１２】
【表２】
2004176622.tif 000010
【０１１３】
比較例は、メタン濃縮手段を介さないで、直接、試料ガスをガスタービンの燃料供給系に供給した場合の該ガスタービンの発熱量を開示している。同表の結果によると、ガスタービンの発熱量は２４．１ＭＪ／ｍ３となり、ガスタービンの運転に必要なガス流量は、４４０（ＭＪ／時）／発熱量（ＭＪ／ｍ３）の計算によって、１８．３ｍ３／時となり、必要な試料ガスの流量は１８．３ｍ３／時であることがわかる。
【０１１４】
実施例１は、試料ガスを、メタン濃縮手段を介して、ガスタービンの燃料供給系に供給した場合の該ガスタービンの発熱量を開示している。このとき、該メタン濃縮手段から排出されたガス組成は、体積比でメタンが６０％で水素が４０％であった。同表の結果によると、ガスタービンの発熱量は２９．２ＭＪ／ｍ３となり、ガスタービンの運転に必要なガス流量は、先と同様の計算によって、１５．１ｍ３／時となり、必要な試料ガスの流量は１５．１ｍ３／時であることがわかる。
【０１１５】
実施例２も、試料ガスを、メタン濃縮手段を介して、ガスタービンの燃料供給系に供給した場合の該ガスタービンの発熱量を開示している。このとき、該メタン濃縮手段から排出されたガス組成は、体積比でメタンが１００％であった。同表の結果によると、ガスタービンの発熱量は４０．１ＭＪ／ｍ３となり、ガスタービンの運転に必要なガス流量は、先と同様の計算によって、１１．１ｍ３／時となり、このとき必要な試料ガスの流量は１８．３ｍ３／時であることがわかる。
【０１１６】
以上のことから、本発明に係るガスタービン発電システムは、比較例に係るガスタービン発電システムよりも、発熱量が高くなり、発電効率に優れることが確認できる。
【０１１７】
特に、メタン濃縮手段２に水蒸気等の水分が供給された場合、当該手段から得られたガスはメタンと水素の混合ガスとなるので、このガスを改質することで、高濃度の水素ガスが得られ、燃料電池発電にも有効となる。
【０１１８】
また、メタン濃縮手段２に酸素が供給される場合、当該手段から得られたガスは、ほぼ１００％のメタンガスが得られるため、その用途は売却用燃料ガスとなり得る。
（実施形態２）
図２は、本発明の第２の実施形態例を示した概略図である。
【０１１９】
本実施形態に係るガスタービン発電システムは、実施形態１に係るガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段２とガスタービン３とを連絡する経路に、都市ガス等を導入するための混合器４が具備されている。このとき、混合器４は、メタン濃縮ガスと都市ガスのいずれかの導入切り替えをも可能とするものを採用するとよい。
【０１２０】
メタン濃縮手段２は、先の表１の結果から明らかなように、被処理ガス（例えば、汚泥消化ガス）中のメタンを濃縮することで、単位体積当りの発熱量を上げることにより都市ガス、あるいはＬＰＧなどとの発熱量の差を小さくすることができる。したがって、本実施形態に係るガスタービン発電システムの構成とすることで、実施形態１の作用効果に加え、消化ガスと都市ガスあるいはＬＰＧとの燃料切り替えが可能となり、いわゆるデュアルフューエルとすることができ、有料燃料の消費量の低減が可能となる。
（実施形態３）
図３は、本発明の第３の実施形態例を示した概略図である。
【０１２１】
本実施形態に係るガスタービン発電システムは、実施形態１に係るガスタービン発電システムにおいて、汚泥消化槽１とメタン濃縮手段２とを連絡する経路に消化ガスホルダー５を、またメタン濃縮手段２とガスタービン３とを連絡する経路にメタン濃縮ガスホルダー６を、備えている。尚、図示省略されているが、ガスホルダー５，６には、ホルダー内のガスを各々メタン濃縮手段２及びガスタービン３に供給するための流量調整可能のファンやブロワー等が適宜付帯される。当該実施形態においては、メタンガス濃縮手段２で炭酸ガスを除去して得たガス（たとえばメタン約１００％）をガスホルダー６に濃縮メタンを一旦貯留し、ガスタービン３の運転状況等に応じて高カロリーであるメタン濃縮ガスを供給している。
【０１２２】
本実施形態のシステムによれば、メタン濃縮ガスホルダー６に濃縮メタンを貯留しておくので、実施形態１の作用効果に加え、ガスタービンの運転状況に対応して高カロリー燃料の安定供給が可能である。また、消化ガスの発生量は、時間帯（夜昼等）によって異なるため、メタン濃縮ガスホルダー６に濃縮メタンガスを貯留しておくことで、これをバッファー設備として作用させ、消化ガスの発生量に影響を受けることなく、ガスタービンに高カロリー燃料を安定供給することが可能である。
（実施形態４）
図４は、本発明の第４の実施形態例を示した概略図である。
【０１２３】
本実施形態に係るガスタービン発電システムは、実施形態１に係るガスタービン発電システムにおいて、汚泥消化槽１とメタン濃縮手段２とを連絡する経路に消化ガスホルダー５を備えている。ここで、消化ガスホルダー５は、メタン濃縮手段２で得たメタン濃縮ガスを導入するための経路５０１と、ホルダー５内のガスを燃料ガスとしてガスタービン３に供給するための経路５０２と、を備えている。尚、図示省略されているが、経路５０１には、メタン濃縮手段３で得たメタン濃縮ガスを消化ガスホルダー５に供給するための、また経路５０２にはホルダー内のガスをガスタービン３に供給するための、流量調整可能のファンやブロワー等が、適宜付帯される。
【０１２４】
本実施形態においては、メタン濃縮手段２で炭酸ガスを除去して得たガス（メタン約１００％）を消化ガスホルダー５に返送して、ホルダー５内のメタンガスの濃度を順次高くしていき、ガスタービン３の運転状況等に応じて１００％濃度ではないものの高濃度（例えば８０％程度）の高カロリー燃料である濃縮ガスをガスタービン３に供給している。
【０１２５】
このように、本実施形態によれば、実施形態３と同様に、消化ガスホルダー５内の濃度を高くしつつメタンガスを貯留しておくので、実施形態１の作用効果に加え、ガスタービン３の運転状態若しくは消化ガスの発生状態に影響を受けることなく高カロリー燃料の安定供給が可能である。尚、ガスタービン３はメタン６０％（二酸化炭素４０％）の消化ガスでも運転は可能であることが確認されており、本実施形態は消化ガスを直接使用する場合と比較してメタン濃度が高く（高カロリー）、発電効率を向上させることが可能である。
（実施形態５）
図５は、本発明の第５の実施形態例を示した概略図である。
【０１２６】
下水処理場で発生する汚泥の消化ガスや家畜糞尿設備で発生するバイオガスは有用なエネルギー源として活用が可能であるが、従来の技術においては特に中小容量の処理場において熱源としての用途しか見出すことができなかった。その一つの理由としては、メタンガス濃度が低いことが挙げられる。そこで、汚泥消化ガス中の二酸化炭素成分をメタン濃縮手段２で除去することで、前記ガス中のメタンガス濃度を高めることができ、汚泥消化ガスを高発熱量ガスに転換させることができる。
【０１２７】
そして、特に図５に示した下水処理システムにおいて、メタン濃縮手段２を具備させれば、汚泥消化ガスを有効利用することができる共に、水処理システムにおける硝化脱窒機能を安定化させることができる。
【０１２８】
図示された水処理システムは、汚泥消化ガスが得られる設備は主に下水処理施設で硝化工程さらには脱窒工程を有する。硝化工程及び脱窒工程の液相は最終沈殿池にて固液分離処理される。最終沈殿池で得られた上澄水は、さらに高度処理に供されるか若しくは放流される。ここで、最終沈殿池にて分離された汚泥の一部は活性汚泥として再利用するために硝化工程に返送される一方で、一部の汚泥は消化させるために汚泥消化工程に供される。汚泥消化工程では、汚泥を好気的または嫌気的に処理している。特に、嫌気処理の過程において、メタンガスを含んだガスが発生する。
【０１２９】
一般的に、下水処理では、先ず、硝化工程で下水中の窒素化合物（アンモニア性窒素）を硝化菌の作用で硝酸イオンなど（ＮＯ２−、ＮＯ３−）に変換し、次いで脱窒工程で脱窒菌の作用により窒素ガス（Ｎ２）へ還元する必要がある。硝化工程における下水のｐＨは８〜９の範囲であるが、硝化反応が進行していくとアルカリ度が消費されてｐＨ値が低下する。ｐＨ値の低下が生じると処理効率が低下する落ちるばかりでなく、硝化菌が死滅する恐れがある。したがって、ｐＨ値を８〜９に調整するために、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）、ソーダ灰（Ｎａ２Ｃｏ３）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）といったアルカリ剤（ｐＨ調整剤）を投入しなければならない。
【０１３０】
メタン濃縮手段２におけるガス処理装置２０のカソード側から排出される炭酸塩水溶液（廃液）は、そのｐＨ値は８〜１０程度であり（尚、二酸化炭素を完全に吸収していない場合は、ＮａＯＨ成分が高くなるためそれ以上のｐＨ値となる）、アルカリ剤として利用できる。
【０１３１】
このように、本実施形態では、ガス処理装置２０を備えたを下水処理システムに具備させたことで、高発熱量ガスの生産が可能となるばかりでなく、下水処理における硝化脱窒機能を安定化させることができる。
【０１３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項に示した本発明のガスタービン発電システムによれば、汚泥消化ガス等の炭酸ガスを含んだガスから二酸化炭素を炭酸塩として分離除去しているので、該ガス中のメタン濃度が高まり、これにより、ガスタービン発電におけるエネルギー変換効率が向上し、炭酸ガス及びメタンを回収しながらの新たな電気エネルギー及び熱エネルギーの生産が可能となる。ゆえに、本発明は、汚泥消化ガス等の炭酸ガスを含んだ気相を効率的かつ低廉に回収し有効利用することを可能とさせ、温室効果ガス削減対策及び地球温暖化対策に大いに寄与する。
【０１３３】
また、本発明においては、アノード側におけるナトリウム化合物水溶液のナトリウムイオン濃度を一定に保持させているので、二酸化炭素の除去性能は安定する。
【０１３４】
さらに、二酸化炭素成分の除去に伴い吸蔵した炭酸塩を水酸化ナトリウムの水溶液に変換し、これを二酸化炭素除去に供するナトリウム化合物水溶液として利用しているので、大幅なランニングコストの削減が可能となる。
【０１３５】
また、メタン濃縮手段において、被処理ガスをアソードに供する前に、スクラバーにおいて、水若しくは水酸化ナトリウム水溶液の液滴と接触させることで、ガス中のおおまかな二酸化炭素成分は前記微細液体粒子に捕捉されるので、カソードに対する負荷が軽減され、二酸化炭素除去時及び水素ガス生成時の省電力化が可能となり、これによりシステムの小型化が図れる。さらに、スクラバーから供給された被処理ガスはより水分を含んでいるので、より多くの水素ガスの生成が可能となると同時に、吸蔵させた炭酸塩を容易に水溶液化させることができるので、連続的な二酸化炭素の除去及び水素ガスの生成も可能となる。
【０１３６】
そして、メタン濃縮手段から排出された炭酸塩水溶液は、ｐＨ調整剤として使用できるので、水処理システムに供することで、このシステムにおける硝化脱窒作用を安定させることができる。
【０１３７】
また、被処理ガスが例えば汚泥消化ガスのようなメタンを含んだガスである場合には、本発明によって、該ガスから効率的に濃縮メタンガス（高熱量ガス）を生産することができ、このガスは燃料電池やガスタービンまたはその他の燃料として売却及び利用ができるので、温室効果ガスの有効利用が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態例を示した概略図。
【図２】本発明の第２の実施形態例を示した概略図。
【図３】本発明の第３の実施形態例を示した概略図。
【図４】本発明の第４の実施形態例を示した概略図。
【図５】本発明の第５の実施形態例を示した概略図。
【図６】メタン濃縮手段の実施形態例の概略図。
【図７】ガス処理装置の実施形態例の概略図。
【図８】ガス処理装置の実施形態例の概略図。
【図９】（ａ）炭酸ナトリウム水溶液が供給される再生槽の概略説明図、（ｂ）炭酸水素ナトリウム水溶液が供給される再生槽の概略説明図。
【図１０】（ａ）本発明に係るガス処理システムの実施形態例を示す概略図、（ｂ）塩化ナトリウム水溶液が供給される再生槽の概略説明図。
【図１１】（ａ）二酸化炭素除去工程の概略説明図、（ｂ）二酸化炭素放出の概略説明図。
【図１２】電流密度と二酸化炭素濃度及び水素濃度との関係を示した特性図。
【図１３】本発明（実施例１）と比較例におけるＩ−Ｖ特性図。
【図１４】本発明による二酸化炭素の除去特性図。
【図１５】本発明（実施例２）と比較例におけるＩ−Ｖ特性図。
【符号の説明】
１…汚泥消化槽
２…メタン濃縮手段、２０…炭酸ガス除去装置、２００…電解質膜、２０１…アノード、２０２…カソード、２０３…電源、２１…水供給手段、２２…スクラバー、２３…気液分離槽
３…ガスタービン
４…混合器
５…消化ガスホルダー
６…メタン濃縮ガスホルダー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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