(57)【要約】【課題】  メタン含有ガスにおける発電において、改質温度を比較的低温とした発電システムを提供することである。【解決手段】  メタン含有ガスを供給して発電する発電システムであって、該メタン含有ガスを改質前に加熱するための熱交換器２、３、５、７と、該メタン含有ガスを水素及び一酸化炭素に改質する改質触媒の作用により得られる水素を含むガス及び未反応の該メタン含有ガスの混合体から、選択的に該水素を透過させる水素透過性膜とを備えた改質装置４と、該改質装置４によって得られる改質ガスを燃焼して動力を発生する熱機関６とを備えた発電システムが提供される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン含有ガスを供給して発電する発電システムであって、
該メタン含有ガスを改質前に加熱するための第1の熱交換器と、
該メタン含有ガスを水素及び一酸化炭素に改質する改質触媒の作用により得られる水素を含むガス及び未反応の該メタン含有ガスの混合体から、選択的に該水素を透過させる水素透過性膜とを備えた改質装置と、
該改質装置によって得られる改質ガスを燃焼して動力を発生する熱機関と
を備えた発電システム。
【請求項２】
前記改質装置は、
前記メタン含有ガスが導入される前記改質触媒を備えた改質触媒室と、
該改質触媒室につながり、該改質触媒室からのガス流が集まる集合部と、
該集合部からのガス流が前記オリフィスを通って流入し、前記水素透過性膜を透過した前記水素と混合する混合室と
を備えるものであって、
該改質装置は、前記混合体の流れ方向に関して前記改質触媒の下流に設けられたオリフィスを備え、該オリフィスによって前記混合体の流れを規制するものであり、さらに該改質触媒室と該混合室のうちのいずれか一方が他方の外側に該水素透過性膜を介して配置されるものである請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記メタン含有ガスに添加するためのＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給手段を更に備えた請求項１又は請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記熱機関で発生した熱と前記メタン含有ガスに添加するＨ2Ｏとの間で熱交換するための第２の熱交換器を更に備えた請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記改質装置は、前記熱機関で発生した熱もしくは前記発電システムの外部の熱源から供給される外部供給熱により加熱されるものである請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記外部供給熱と空気との間で熱交換するための第３の熱交換器を更に備え、前記改質装置は該外部供給熱と熱交換された該空気により加熱されるものである請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記熱機関で発生した排ガスと、前記メタン含有ガスの一部を分岐させたガスとを燃焼させる燃焼装置を更に備えた請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項８】
前記メタン含有ガスに二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を更に備えた請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項９】
前記メタン含有ガスから硫黄分を取り除く脱硫装置とを更に備えた請求項１〜８のいずれか１項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン含有ガスを供給ガスとした発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
消化ガス、都市ガス、天然ガス、炭鉱ガス、廃棄物ガス等のメタン含有ガスを供給ガスとした発電に関する従来技術として、以下のものがある。
【０００３】
従来の供給ガスを消化ガスとした消化ガス発電システムについて図９をもとに説明する。供給ガスである消化ガスは、脱硫塔５３に供給されて硫黄分が取り除かれ、改質装置５４に供給される。改質装置５４で消化ガスに含まれるメタンについてＣＯ2改質（二酸化炭素改質）が行われた後、供給ガスは図示しないキャブレータを通してガスエンジン５５に導入されて発電に用いられる。なお、ＣＯ2改質は十分な水素転化率を得るためには高温下、すなわち７００℃程度以上で行う必要があるが、実用上より好ましい水素転化率を得るために通常は８００℃程度以上で行われている。ここで、ＣＯ2改質とは化１の式の反応をいう。
【化１】
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ＣＯ2改質では炭素析出により触媒性能が劣化し改質装置５８を閉塞させる場合があり、水蒸気改質反応と比較し高温を必要とするため高温熱源の確保が必要となる。そこで、ゴミ等の焼却炉６７で生じる排熱を利用して改質装置５４の改質触媒と熱交換５６させて加熱する方法などがとられている。
【０００４】
また、従来の供給ガスを消化ガスとした消化ガス発電システムとして、図１０に示すようなＣＯ2改質及び水蒸気改質の併用により改質するシステムがある。熱交換器等は省略しているが特許文献１に記載のシステムと同様である。このシステムでは、水蒸気改質を併用するため、改質前に水５７を供給する設備が必要である。ここで、水蒸気改質とは、化２の式の反応をいう。
【化２】
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しかし、水蒸気改質との併用によって炭素析出は抑制できるものの、ＣＯ2改質も伴うために改質反応に高温（７００℃程度以上）を必要とするため、ゴミ等の焼却炉５９などからの高温排熱が熱源として利用されている。そのため、焼却炉などの高温の熱源を利用できない場合は別途熱源を確保する必要性が生じ、さらには改質温度が高温なため装置を構成する材料には耐熱性及び耐食性に優れた高価な材料を使用しなければならないという課題が生じている。
【０００５】
また、図１１に示すように、水蒸気改質プロセスを利用する消化ガス、都市ガス、天然ガス、炭鉱ガス、廃棄物ガス等（以下、消化ガス及び都市ガス等という）の発電システムとして燃料電池６０を用いるものがある。まず、消化ガス及び都市ガス等を脱硫塔で硫黄分を除去し、改質装置６１へ導入する前に水蒸気改質を行うために必要な水を水蒸気６２として供給する。そして、改質装置６１において改質装置熱源用バーナ６３で改質触媒を加熱し、供給ガスに含まれるメタンを水蒸気改質により、Ｈ2、ＣＯに改質する。改質されたガスは、ＣＯ変成器６４によりＣＯが除去され、燃料電池で発電に用いられる。
しかし、発電に寄与しない炭酸ガスや酸素、塩化分、硫黄分などの燃料電池発電設備にとって悪影響である被毒物質を低濃度に抑える必要性から除去装置等が必要であり、ガスエンジンやガスタービンを用いる場合と比較して複雑になってしまうという課題がある。
また、この水蒸気改質反応プロセスでは改質装置６１に設置されている改質装置熱源用バーナ６３により燃料を燃焼させることで改質温度に必要な温度を確保している。そのため、燃料をロスしてしまうこと及び改質装置６１にバーナ設備６３を備えなくてはならず、改質装置６１の容積をコンパクトにすることができないという課題がある。
なお、この消化ガスを用いる燃料電池の発電設備に関連する技術として、被毒ガスの検出手段等を付加した技術を開示した特許文献２がある。
【０００６】
次に、図１２をもとに従来のガスエンジン発電システムについて説明する。都市ガス、天然ガス、炭鉱ガス、廃棄物ガス等の改質に十分な量のＣＯ2やＨ2Ｏを含まない供給ガス６５を用いる場合であって、上記の焼却炉等の排熱を利用することができない場合、高温の熱源を別途付加する必要があること、改質を行うために水を供給する設備が必要となること、改質装置を付加する必要があることなどのデメリットから、改質を行うことなく、これらのガスに含まれるＣＨ4を直接ガスエンジン６６にて燃焼させて発電する。この場合、上記に説明した他の従来の発電システムと比較してガスエンジン排ガスが高温でそのまま排気されるため、熱エネルギのロスが生じるという課題がある。また、改質プロセスが無いため改質プロセスが有るものと比較すると発電量が少ないという課題もある。
なお、水蒸気改質温度は適切な改質効率を得るためには少なくとも４００〜７００℃程度の温度レベルが必要であり、実用上より好ましい十分な改質を得るために通常は約７００℃程度以上で行われている。
【０００７】
特許文献３には、溶融炭酸塩型燃料電池に用いる水素透過性膜を用いた加圧改質装置が記載されている。特許文献３に記載された燃料電池は、スイープガスとしてアノード排ガスをリサイクルしてサイクルをまわす作動ガスとして用いており、アノード排ガスと水素が透過する透過室内で透過した水素とを混合させている。また、特許文献３に記載された燃料電池は溶融炭酸塩型燃料電池であり、燃料電池へＣＯ2を供給するために燃焼させる必要があること、及び改質温度を上げるためにバーナや燃焼室が必要となる。なお、燃料電池による発電システムは同規模の熱機関を用いた発電システムと比べて高価である。
【特許文献１】特開２００３−２２１２０４号公報
【特許文献２】特許第３１０３３３２号公報
【特許文献３】特開平１１−１２６６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記背景技術で説明した従来技術における課題のうち、少なくとも１つを解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、メタン含有ガスを供給して発電する発電システムであって、該メタン含有ガスを改質前に加熱するための第1の熱交換器と、該メタン含有ガスを水素及び一酸化炭素に改質する改質触媒の作用により得られる水素を含むガス及び未反応の該メタン含有ガスの混合体から、選択的に該水素を透過させる水素透過性膜とを備えた改質装置と、該改質装置によって得られる改質ガスを燃焼して動力を発生する熱機関とを備えた発電システムが提供される。
【００１０】
また、前記メタン含有ガスが導入される前記改質触媒を備えた改質触媒室と、該改質触媒室につながり、該改質触媒室からのガス流が集まる集合部と、該集合部からのガス流が前記オリフィスを通って流入し、前記水素透過性膜を透過した前記水素と混合する混合室とを備えるものであって、該改質装置は、前記混合体の流れ方向に関して前記改質触媒の下流に設けられたオリフィスを備え、該オリフィスによって前記混合体の流れを規制するものであり、さらに該改質触媒室と該混合室のうちのいずれか一方が他方の外側に該水素透過性膜を介して配置されるものである方が好ましい。
【００１１】
そして、前記メタン含有ガスに添加するためのＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給手段を更に含めることができる。
【００１２】
また、前記熱機関で発生した熱と前記メタン含有ガスに添加するＨ2Ｏとの間で熱交換するための第２の熱交換器を更に含めることができる。
【００１３】
さらに、前記改質装置は、前記熱機関で発生した熱もしくは前記発電システムの外部の熱源から供給される外部供給熱により加熱される方が好ましい。
【００１４】
そして、前記外部供給熱と空気との間で熱交換するための第３の熱交換器を更に備え、前記改質装置は該外部供給熱と熱交換された該空気により加熱される方が好ましい。
【００１５】
また、前記熱機関で発生した排ガスと、前記メタン含有ガスの一部を分岐させたガスとを燃焼させる燃焼装置を更に含めることができる。
【００１６】
さらに、前記メタン含有ガスに二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を更に含めることができる。
【００１７】
そして、前記メタン含有ガスから硫黄分を取り除く脱硫装置を含めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の効果として、消化ガス、都市ガス、炭鉱ガス、廃棄物ガス、天然ガス等に含まれるメタンを改質触媒を用いて二酸化改質及び／又は水蒸気改質によって改質し、改質した改質ガスを燃焼させて動力を発生させる熱機関（例えばガスエンジンやガスタービンなど）に供給して発電するシステムについて、該改質触媒に水素透過性膜を用いることにより、改質ガス中の水素を選択的に透過させ、改質反応の平衡を移動させて低温で従来と同等の改質率を得ることができる。
また、低温で改質することが可能となり、従来の改質熱源には利用できなかった低温の排熱（低温排ガス）を利用して改質を行うことができる。
そして、本発明は従来利用できなかった低温排ガスの廃熱を利用することが可能となり、従来のガスエンジン発電と比べて発電量が約１０〜２０％程度向上するという優れた効果を奏する。
なお、改質温度の低温化により、従来必要であった高価な耐熱性及び耐食性に優れた材料の使用を減らすこと又は廃止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に示した実施形態について、各実施形態の構成を適宜選択して組み合わせても良い。また、各実施形態に例示した供給ガスに限定する必要はなく、メタン含有供給ガスであれば都市ガス、天然ガス、炭鉱ガス、廃棄物ガス、消化ガスなどを適宜選んでよい。さらに、各実施形態における改質方法は、各実施形態で説明したものに限定する必要はなく、適宜選択して用いてもよい。そして、該メタン含有供給ガスにＨ2Ｏ、ＣＯ2の添加の有無など実施形態に限定する必要はなく適宜選択してもよい。
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の実施形態の一例（以下、第１実施形態という。）について、図１を用いて説明する。消化ガスなどのメタンを含む供給ガスは、該供給ガスに含まれる硫黄分を除去するために脱硫塔１へ供給される。脱硫された該供給ガスは第１熱交換器２に送られ、後述するガスエンジン６で発生した排ガスと熱交換されて加熱される。
なお、本実施形態は、二酸化炭素改質反応とともに水蒸気改質反応を併せて行わせるものである。例えば消化ガスを供給ガスとした場合、消化ガス中にはメタン、二酸化炭素の他に水分も含まれるため、水蒸気を導入しない場合でも水蒸気改質反応が進行する。しかし、消化ガスに水蒸気を適宜供給することで二酸化炭素改質反応に加えて水蒸気改質反応を並行して進ませることができ、さらに炭素析出を抑制させることができるため、より改質率の向上を図ることができる。
水蒸気改質を行うためには、上記の（化２）式で示すようにＨ2Ｏが必要であり、該供給ガスが改質に十分なＨ2Ｏを含まない場合は、改質前にメタン含有供給ガスへ供給する必要がある。
なお、Ｈ2Ｏについて、本発明における一連の実施形態では、最初にＨ2Ｏを供給設備から供給する際、水を供給するものとして説明している。これは最初の供給設備から供給されるときのＨ2Ｏの状態（氷、水、水蒸気）を限定する意味ではない。しかし、ここに説明するようにＨ2Ｏをメタン含有供給ガスへ添加するときには、Ｈ2Ｏの温度が供給ガスの温度に近づくように事前に熱交換しておいた方が好ましい。
【００２１】
図１に示す例において、水は第３熱交換器５及び第４熱交換器７で、第２熱交換器３からのガス及び第１熱交換器で熱交換された排ガスとそれぞれ熱交換されて加熱され、脱硫された供給ガスに水蒸気として添加される。該水蒸気を添加された供給ガスは、第１熱交換器２でガスエンジン６からの排熱と熱交換して加熱される。次にメンブレンリフォーマ４で改質されたガスと第２熱交換器３で熱交換により加熱されてメンブレンリフォーマ４へ導入される。ここで、本明細書において説明するメンブレンリフォーマとは水素透過性膜を備えて改質を行う改質装置を示すものの具体例をいう。メンブレンリフォーマ４で改質された供給ガスは、第２熱交換器３に導入され熱交換した後、さらに第３熱交換器５で水と熱交換し、空気と混合されてガスエンジン６へ供給される。なお、該供給ガスが空気と混合されるのは、ガスエンジン６で燃焼させるために酸素を供給するためである。
そして、図１に示すガスエンジンからの動力は、図示しない発電機に伝達されて電気を発生させる。なお、図１は駆動手段としてガスエンジンを例としているが、特にガスエンジンに限定する必要はなく、例えばガスタービンなど、該改質ガスを燃焼させて動力を発生させる熱機関を用いた駆動手段であって、発電が可能であるものであればよい。
また、天然ガスや都市ガスのように改質に十分な二酸化炭素を含まない供給ガスを用いる場合など、ＣＯ2改質を行うためにＣＯ2を供給する設備を設けてもよい。
【００２２】
ここで、メンブレンリフォーマ４について図２を用いて説明する。本実施形態のメンブレンリフォーマ４は水素を選択的に透過させる水素透過性膜を用いて改質を行う改質装置であり、図２に示すように、ＣＨ4、ＣＯ2、Ｈ2Ｏを含む供給ガスは比較的高圧の状態で改質装置の配管内に充填された改質触媒１０へ導入される。なお、改質触媒１０は比較的低温の４００〜７００℃程度に加熱されており、該供給ガスは該改質装置にて水蒸気改質及びＣＯ2改質が行われる。この改質によって発生した水素は、改質触媒１０と隣り合う水素透過性膜１１を通過して低圧側の混合室３１へ移動する。また、水素透過性膜１１を通過しなかった未反応のＣＨ4や改質されたＣＯなどの残りの供給ガスは、改質触媒１０からのガス流が集まる集合部３２へ移動し、オリフィス１２による圧力差によって低圧側の混合室３１へ吐き出されて該水素と再び混合される。そして、低圧の混合室３１で、該水素と再び混合された供給ガス（改質後のガス）１３は、メンブレンリフォーマ４の出口３３からスイープガスとして矢印１４の方向へ該装置から排出され、次の工程へ送られる。
【００２３】
なお、図１に示すように、改質装置熱源として焼却炉又は炭化ガス化システム８等の燃焼排ガスを利用する場合、第５熱交換器９によって空気と該燃焼排ガスとを熱交換させ、該空気を改質装置へ導入することが好ましい。改質装置の伝熱面の灰付着等を防ぐことができ、改質装置の熱効率を高めることができるからである。
しかし、改質装置熱源に燃焼排ガスと熱交換した空気を用いずに、改質装置に直接燃焼排ガスを取り入れて熱交換させることを妨げるわけではない。
【００２４】
また、メンブレンリフォーマ４の改質触媒には、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＣｅＯ2のうちから少なくとも一種類の物質を含む酸化物、又は複合酸化物に、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ等のうちから少なくとも一種類を含む金属、又はその金属を含む化合物が担持させた改質触媒であることが好ましい。
そして、水素透過膜の組成は、Ｐｄ、Ｎｄ、Ｖ、Ｔａ、Ａｇ、Ｈｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｌａのうちから少なくとも１種類を含む金属又はその金属の酸化物であることが好ましい。
さらに、メンブレンリフォーマにおける高圧側、低圧側について、低圧側と高圧側の圧力差範囲は０．１ａｔｍ〜２０ａｔｍであることが好ましく、その中でも３〜１０ａｔｍであることが更に好ましい。
【００２５】
ここで、メンブレンリフォーマ４の装置の一例を示す概観図を図３に示し、また図３の断面図を図４に示して説明する。ＣＨ4、ＣＯ2、Ｈ2Ｏを含む供給ガスは比較的高圧の状態で矢印２１から改質触媒２０へ導入され、Ｈ2、ＣＯに改質される。改質されたＨ2は、未反応のＣＨ4を含むガスと改質されたＣＯとは別に水素透過膜１６を透過して低圧側の混合室１７へ移動する。また、水素透過性膜１６を通過しなかった未反応のＣＨ4を含むガスやＣＯは改質触媒２０からのガス流が集まる集合部１９へ移動し、オリフィス１８により低圧側の混合室１７との圧力差から低圧側の混合室１７へ吐き出される。そして、低圧側の混合室１７で再び該Ｈ2と混合され、スイープガスとして該装置から矢印２２に示すように排出され、次の工程へ送られる。
【００２６】
なお、図３及び図４に示すように、改質触媒２０を含む空間である改質触媒室と低圧側の混合室１７のうちのいずれか一方を他方の外側に水素透過性膜１６を介して配置すると、装置全体をコンパクトにできるので好ましい。また、改質触媒室と低圧側の混合室１７とを並列に配置し、両者の間に水素透過性膜を配置する構造としてもよい。
【００２７】
先に説明したメンブレンリフォーマ、即ち、改質触媒と水素透過性膜とを備えた改質装置の概念及び原理を基にさらに変形してもよい。さらに、ガス流が集まる集合部３２、１９、２７において、改質触媒を充填させてもよい。
例えば、図３、図４を変形した例を図５に示す。図５はメンブレンリフォーマの断面図であるが、図４におけるメタン含有供給ガスの入口２１と出口２２を入れ替え、それに伴って改質触媒２０や、オリフィス１８の位置などを変更したものである。
図５を用いて説明すると、高圧のメタン含有供給ガスは矢印３０から、改質触媒２８を備えた空間である改質触媒室へ供給される。そして、改質された水素は水素透過性膜２４を選択的に通過して、低圧側の混合室２５へ移動する。水素透過性膜２４を通過しなかった未反応のＣＨ4を含むガスやＣＯのガス流は、該ガス流が集まる空間である集合部２７へ移動し、低圧側の空間である混合室２５へオリフィス２６による圧力差で吐き出される。そして、該ガス流は混合室２５で再びＨ2と混合され、スイープガスとして該メンブレンリフォーマから矢印２９に示すように排出される。
なお、図４の装置外形２３、及び図５の装置外形２３ａは円筒型とせずに例えば角柱型としてもよい。さらに、オリフィスの形状は図２〜図５に示したものに限定されるものではないし、その位置は適宜変えることができ、また複数あってもよい。
【００２８】
本実施形態によって、水素透過性膜によって水素を選択的に移動させることによって、通常は温度で決まる改質反応の平衡を移動させることができる。従って、改質温度は従来の７００℃程度以上から、比較的低温の４００〜７００℃程度として従来と同等の改質率を得ることができる。改質温度は改質効率を考えるとより高温である方が好ましいが、現状のガスエンジン排ガスの排気温度レベルや改質装置の材質等のコスト的な兼ね合いなどから、好ましくは４００〜７００℃程度、さらに好ましくは５００〜６００℃程度がよい。
さらに、ＣＯ2改質を伴って比較的低温(４００〜７００℃程度)で改質することが可能となり、従来の改質熱源には利用できなかった低温の排熱（低温排ガス）を利用して改質を行うことができる。そして、従来利用できなかった低温排ガスの廃熱を利用できるため、従来のガスエンジン発電と比べて発電量が約２０％程度向上を図ることができる。なお、排熱はシステム内部で有効利用し、より低温化させてからシステムの外部へ排出した方が好ましい。
【００２９】
なお、改質温度の低温化により、従来必要であった高価な耐熱性及び耐食性に優れた材料の使用を減らすこと又は廃止することができる。さらに、改質温度の低温化によって、新たに外部熱源を設置しなくてもよくなり、その分、従来の改質装置に比べコンパクトな装置構造を構築することが可能となる。
また、該メンブレンリフォーマによれば、オリフィスにより水素透過性膜に対して水素分圧差を生じさせることができるのと同時に、水素透過側のスイープガスとして水素以外の改質ガス及び未反応ガスの利用を可能とし、従来水素透過側の水素分圧を低減させるために使用していた水素吸引装置が不要となる。更に、メンブレンリフォーマ内で水素と残存ガスの混合が可能となる。よって、装置をコンパクトかつシンプルにすることが可能となる。
さらに、改質ガスを改質装置内で急激に高温化させるために改質装置内部の温度分布が大きく変化し、触媒反応が低下するという課題に対して、従来より改質温度が低くなった分、温度分布の変化が緩和される利点もある。
【００３０】
また、システム全体としての総合的な効率を考えると、ガスエンジン排気温度は高温である方が好ましい。高温であればあるほどガスエンジン効率は低下するが、このガスエンジン排熱を利用し、改質することで燃料カロリーを増大するため、ガスエンジン効率の低下分を加味しても、システム全体の総合的な効率は向上するからである。
このように本発明の実施形態で示した好適な条件などの説明をもとに改質効率、システム効率、コスト等から優先させる事項を決め、改質温度、排気温度などの設定を適宜変更してもよい。
なお、主に駆動手段としてガスエンジンを例に挙げて説明したが、燃焼ガスを用いるガスタービンなど、改質ガスを燃焼させて動力を発生させる熱機関を用いた駆動手段についても同様の考え方で決めてよい。また、後述する第１実施形態の変形例である他の実施形態についても同様に応用することができる。
【００３１】
また、図９、図１０に示す従来の発電システムについて、本発明によらないでガスエンジン排ガスを従来の改質装置に対する熱源として利用すればよいということも考えられる。
しかし、従来の改質装置では十分な改質効率を得るためには少なくとも７００℃程度以上の高温が必要となる。現状のガスエンジン排ガスの排気温度レベルは４００〜６００℃程度であるため、従来技術の改質装置を伴う発電システムにガスエンジン排ガスをそのまま利用しても十分な水素転化率で改質を行うことは難しい。
一方、本発明のメンブレンリフォーマを適用した発電システムによれば、現状のガスエンジン排ガス（４００〜６００℃程度）を利用して、従来は高温化でしか実現できなかった好ましい水素転化率を得ることができ、全体として発電効率を大きく向上させることができるのである。
【００３２】
（第２実施形態）
本発明の実施形態の変形例（以下、第２実施形態という。）について、図６をもとに説明する。消化ガスなどのメタン含有供給ガスは、該供給ガスに含まれる硫黄分を除去するために脱硫塔３４へ供給された後、ガスエンジン排ガスと第１熱交換器３５で熱交換されて過熱される。
また、供給ガスに改質のために添加される水は、図示しない水を供給する設備から供給され、改質ガスと第２熱交換器３７で熱交換される。次に該水はメンブレンリフォーマ３６と熱交換したガスエンジン排ガスと第３熱交換器３９で熱交換された後、脱硫後の供給ガスに水蒸気として供給される。メンブレンリフォーマ３６にて改質された改質ガスは、該水蒸気の熱源として第２熱交換器３７で熱交換され、更に、酸素を供給するために空気と混合されてガスエンジン３８にて発電される。なお、この改質装置の熱源には、ガスエンジン排ガス４０を利用する。
なお、他の熱機関による駆動手段を用いる場合、同様にその駆動手段から排出される排ガスや排熱を利用することができる。例えば、ガスエンジンの代わりにガスタービンを用いるのであれば、ガスエンジン排ガスの代わりにガスタービン排ガスを利用することができる。
さらに、天然ガスや都市ガスのように改質に十分な二酸化炭素を含まない供給ガスを用いる場合など、ＣＯ2改質を行うためにＣＯ2を供給する設備を設けてもよい。
【００３３】
また、本実施形態によって、改質温度は従来の７００℃程度以上から、４００〜７００℃程度にとすることができ、システムとして約２０％程度の効率向上を図ることができる。
なお、本第２実施形態では第１実施形態のように、熱源として焼却炉又は炭化ガス化システム等の排気ガス８の代わりに動力源のガスエンジンの排ガス４０を利用しているため、焼却炉又は炭化ガス化システムに併設しない場合の発電システムとして有効である。
【００３４】
（第３実施形態）
本発明の実施形態の別の変形例（以下、第３実施形態という。）について、図７をもとに説明する。消化ガスなどのメタン含有供給ガスは、該供給ガスに含まれる硫黄分を除去するために脱硫塔４１へ供給された後、ガスエンジン排ガス４３と第１熱交換器４２で熱交換されて加熱される。
また、供給ガスに改質のために添加される水は、まず改質された供給ガスと第２熱交換器４５で熱交換によって加熱され、次にガスエンジン排ガスと第３熱交換器４７で熱交換により加熱された後、脱硫後の供給ガスに水蒸気として供給される。
そして、水蒸気を添加された供給ガスはメンブレンリフォーマ４４に導入される。この改質装置の熱源には、メタン含有供給ガスの一部分岐して燃料とし、ダクトバーナ４８で加熱されたガスが用いられる。このとき、更に一部分岐されたガスエンジン排ガス４３も利用してもよい。
メンブレンリフォーマ４４にて改質された改質後のガスは、該水蒸気の熱源として第２熱交換器４５で水と熱交換された後、酸素を供給するために空気と混合されてガスエンジン４６へ供給される。更に、ガスエンジン４６からの動力は、図示しない発電機に伝達されて電気を発生させる。
なお、他の熱機関による駆動手段を用いる場合、同様にその駆動源から排出される排ガスや排熱を熱交換やダクトバーナへ利用することができる。例えば、ガスエンジンの代わりにガスタービンを用いるのであれば、ガスエンジン排ガスの代わりにガスタービン排ガスを利用することができる。
また、天然ガスや都市ガスのように改質に十分な二酸化炭素を含まない供給ガスを用いる場合など、ＣＯ2改質を行うためにＣＯ2を供給する設備を設けてもよい。
【００３５】
なお、第３実施形態によって、改質温度は従来の７００℃程度以上から、４００〜７００℃程度にすることができる。また、システムの効率はダクトバーナを用いた分効率が落ちるが、システムとして従来より約１０％程度の効率向上を図ることができる。さらに、本実施形態では第１実施形態のように、熱源として焼却炉又は炭化ガス化システム等の排気ガスの代わりに動力源のガスエンジンの排ガスを利用しているため、焼却炉又は炭化ガス化システムに併設しない場合の発電システムとして有効である。
また、改質装置熱源として、焼却炉又は炭化ガス化システム等の排気ガス、ガスエンジン排ガス、ガスエンジン排ガスに加えて燃料ガスを一部分岐させて燃焼させた燃焼排ガスを用いてもよい。なお、ガスエンジン排ガスを加熱のために改質装置へ送り込むとき、熱交換した空気を介さずにガスエンジン排ガスを利用する場合には熱交換器数を低減することができ、発電システム全体をシンプルにすることができる。
【００３６】
（第４実施形態）
本発明の実施形態の更なる変形例（以下、第４実施形態という。）について、図８をもとに説明する。本実施形態は、積極的に水蒸気改質のための水を供給しない場合の実施形態であり、供給ガスとして、消化ガスなどの改質に必要なＣＯ2を十分に含む供給ガスや、改質に必要な水分を十分に含んだメタンを主成分とした供給ガスである場合に有効である。消化ガスなどメタン含有供給ガスは、硫黄分を除去するために脱硫塔４９へ供給された後、改質後の供給ガスと熱交換器５０で熱交換され、メンブレンリフォーマ５１で改質が行われる。そして、改質後の供給ガス（改質ガス）は熱交換器５０で改質前の供給ガスと熱交換された後、酸素を供給するために空気と混合されて、更にガスエンジン５２に供給され発電される。なお、メンブレンリフォーマ５１と熱交換した後のガスエンジン排ガスは、排熱の有効利用のために脱硫塔４９で脱硫後の供給ガスと熱交換させて加熱させても良い。
【００３７】
なお、第４実施形態では水蒸気改質のために水を積極的に供給しない場合であって、かつダクトバーナや、焼却炉又は炭化ガス化システムによる排ガスを用いない場合の実施形態を示した。しかし、当然のことながら、水蒸気改質を積極的に用いる場合は、他の実施形態で示したように水を供給する水供給設備を付加し供給ガスに添加する前に排ガスを用いて熱交換させてもよい。
また、天然ガスや都市ガスのように改質に十分な二酸化炭素を含まない供給ガスを用いる場合など、ＣＯ2改質を行うためにＣＯ2を供給する設備を設けてもよい。
さらに、焼却炉又は炭化ガス化システムによる排ガスが利用できる場合は適宜利用してもよいし、供給ガスの一部を分岐させてダクトバーナによる加熱させた熱源を改質装置の熱源として利用してもよい。なお、供給ガスの一部を分岐させたガスに加えて駆動源であるガスエンジンからの排ガスを利用してもよい。
【００３８】
改質装置熱源としては、焼却炉又は炭化ガス化システム等の排気ガス、ガスエンジン排ガス、ガスエンジン排ガスに加えて燃料ガスを一部分岐させて燃焼させた燃焼排ガスを利用してもよい。
なお、ガスエンジン排ガスを加熱のために改質装置へ送り込むとき、熱交換した空気を介さずにガスエンジン排ガスを利用する場合には熱交換器数を低減することができ、発電システム全体をシンプルにすることができる。この場合、新たに外部熱源を必要とせず、改質装置の熱源補助を行うことができる。
また、改質装置熱源として焼却炉又は炭化ガス化システム等の排気ガスを利用する場合には、改質装置に燃焼排ガスではなく、燃焼排ガスと熱交換した空気を供給することもできる。この場合、改質装置を高温空気により加熱するため、改質装置の伝熱面の灰付着等を防ぐことができ、改質装置の熱効率を高めることができる。
【００３９】
本発明では、熱機関からの排ガスをリサイクルしてサイクルをまわす作動ガスとし、燃料となる改質ガスと該排ガスとを混合させない方が好ましい。排ガスをリサイクルガスとして燃料に混合させると燃料濃度が低下し、熱機関での燃焼効率を高めることができるためである。すなわち、燃料濃度を低下させる排ガス等と燃料となる改質ガスとを混合させることなく、オリフィスによる差圧によって作動させた方が好ましい。
また、本発明では、本発明における改質装置を用いることにより改質温度の低温化を図ることができるため、発電に用いられる熱機関からの低温排熱を利用することで十分な改質効率を得ることができる。すなわち、本発明における発電システムでは、燃焼用バーナや燃焼室を含めることはできるが、燃焼用バーナや燃焼室は必須要件ではない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明におけるメタン含有ガスを供給ガスとする発電システムの一実施形態（第１実施形態）を示すフロー図である。
【図２】本発明における改質装置の構造、及び作動ガスの流れを示す図である。
【図３】本発明における改質装置の一例の概観を示す斜視図である。
【図４】図３に示す改質装置の一例の断面図ある。
【図５】本発明における改質装置の変形例の断面図である。
【図６】本発明におけるメタン含有ガスを供給ガスとする発電システムの一実施形態の変形例（第２実施形態）を示すフロー図である。
【図７】本発明におけるメタン含有ガスを供給ガスとする発電システムの一実施形態の変形例（第３実施形態）を示すフロー図である。
【図８】本発明におけるメタン含有ガスを供給ガスとする発電システムの一実施形態の変形例（第４実施形態）を示すフロー図である。
【図９】従来の消化ガス発電システムの一実施例を示すフロー図である。
【図１０】従来の消化ガス発電システムの一実施例を示すフロー図である。
【図１１】従来の消化ガスや都市ガス等の発電システムの一実施例を示すフロー図である。
【図１２】従来のガスエンジン発電システムの一実施例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  脱硫塔
２  第１熱交換器
３  第２熱交換器
４  メンブレンリフォーマ
５  第３熱交換器
６  ガスエンジン
７  第４熱交換器
８  焼却炉／炭化ガス化システム
９  第５熱交換器
１０  改質触媒
１１  水素透過性膜
１２  オリフィス
１８  オリフィス
２０  改質触媒
２６  オリフィス
２８  改質触媒
３１  混合室
３２  集合部
３４  脱硫塔
３５  第１熱交換器
３６  メンブレンリフォーマ
３７  第２熱交換器
３８  ガスエンジン
３９  第３熱交換器
４１  脱硫塔
４２  第１熱交換器
４４  メンブレンリフォーマ
４５  第２熱交換器
４６  ガスエンジン
４７  第３熱交換器
４８  ダクトバーナ
４９  脱硫塔
５０  熱交換器
５１  メンブレンリフォーマ
５２  ガスエンジン
５３  脱硫塔
５４  改質装置
５５  ガスエンジン
５８  改質装置
５９  焼却炉／炭化ガス化システム
６０  燃料電池
６１  改質装置
６３  改質装置熱源用バーナ
６４  ＣＯ変成器
６６  ガスエンジン
【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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