JPH0997622A - 燃料電池設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 設備のコンパクト化、ランニングコストおよ
び設備コストの低減が図れる燃料電池設備を提供する。 【解決手段】 有機性汚泥１０ａを嫌気性微生物を用い
て生物処理する消化槽１０と、該消化槽１０で発生した
消化ガスａを、二酸化炭素濃縮ガスｂおよびメタン濃縮
ガスｃに分離する消化ガス分離膜装置３０と、得られた
メタン濃縮ガスｃを改質した水素ガスを燃料とする燃料
電池５０とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池設備に係
り、さらに詳細には、汚泥処理で得られた消化ガスに含
まれるメタンガスを燃料として利用した燃料電池設備に
関する。

【０００２】

【従来の技術】汚泥処理で得られる消化ガスは、メタン
を多量に含み、石油や石炭に代わる有用なエネルギー源
として期待されている。消化ガスの利用法としては、ガ
スエンジンによる発電が広く行われている。ところで、
近年開発された、連続供給される燃料のもつ化学エネル
ギーを電気化学的に直接電気エネルギーに変換する燃料
電池は、発電効率、熱回収効率ともに上記ガスエンジン
を上回り、さらに騒音、振動、ＮＯｘなどの発生も少な
く、環境に優しい発電装置である。従って、燃料電池を
消化ガスにより稼働できれば、省エネルギーまたは環境
保全の観点からも非常に有効であると考えられる。例え
ば、第３２回下水道研究発表会講演集（平成７年７月２
５日発行）において、消化槽内で有機性汚泥を嫌気性微
生物により生物処理し、そこで発生した消化ガスを第
１、２吸収塔へ順次供給し、各々の吸収塔でアルカリ水
溶液の吸収液により湿式吸収することにより二酸化炭素
ガスを除去して、得られたメタンガスを燃料電池の燃料
とする技術手段が報告されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池用の燃料として、消化ガスに含まれるメタンガ
スを使用する手段では、消化槽で発生した消化ガスをア
ルカリ水溶液により湿式吸収して二酸化炭素ガスを除去
しているので、装置全体が大型化するとともに、ランニ
ングコストも嵩み、また二酸化炭素の吸収後、その吸収
液の処理装置が必要となって、設備コストも嵩むという
問題点がある。本発明は、このような従来の技術的課題
を背景になされたもので、設備のコンパクト化、ランニ
ングコストおよび設備コストの低減が図れる燃料電池設
備を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
燃料電池設備は、有機性汚泥を嫌気性微生物を用いて生
物処理する消化槽と、該消化槽で発生した消化ガスを、
二酸化炭素濃縮ガスおよびメタン濃縮ガスに分離する消
化ガス分離膜装置と、得られたメタン濃縮ガスを燃料と
する燃料電池とを備えたことを特徴とする燃料電池設備
を提供するものである。

【０００５】また、請求項２記載の燃料電池設備は、請
求項１記載の燃料電池設備において、消化ガス分離膜装
置と燃料電池との間に、メタン濃縮ガスを希薄メタンガ
スおよび高濃度メタンガスに分離するメタンガス分離膜
装置を設け、消化ガス分離膜装置の透過側より得られた
二酸化炭素濃縮ガスの一部を、消化槽へ戻して循環させ
る二酸化炭素ガス循環流路を設けたものである。

【０００６】さらに、請求項３記載の燃料電池設備は、
請求項１記載の燃料電池設備において、消化ガス分離膜
装置と燃料電池との間に、メタン濃縮ガスを希薄メタン
ガスおよび高濃度メタンガスに分離するメタンガス分離
膜装置を設け、メタンガス分離膜装置の透過側より得ら
れた希薄メタンガスの一部を、消化槽へ戻して循環させ
る希薄メタンガス循環流路を設けたものである。

【０００７】

【作用】請求項１〜３記載の燃料電池設備においては、
消化槽で有機性汚泥を嫌気性微生物を用いて生物処理
し、ここで発生した消化ガスを消化ガス分離膜装置に通
して、二酸化炭素濃縮ガスとメタン濃縮ガスとに分離す
る。このように、消化ガス分離膜装置により、濃縮され
たメタン濃縮ガスを燃料電池へ燃料として供給するの
で、有機性汚泥をメタン発酵させて得られたメタンガス
を、燃料電池の燃料に使用できるほどに濃縮してその燃
料電池に供給でき、従来の消化ガスをアルカリ水溶液に
より湿式吸収して二酸化炭素ガスを除去するものに比べ
て、設備のコンパクト化が図れ、またランニングコスト
および設備コストも低減する。

【０００８】請求項２記載の燃料電池設備においては、
第１段目の消化ガス分離膜装置により分離された透過側
の二酸化炭素濃縮ガスの一部を、二酸化炭素ガス循環流
路を介して消化槽へ戻すので、消化ガス分離膜装置で採
取された高濃度の二酸化炭素濃縮ガスを、消化槽の二酸
化炭素濃度の調整に適量だけ使用でき、これにより消化
槽において、少ないガス循環量で、容易に二酸化炭素濃
度の調整が可能となるとともに、メタンガスの回収率を
向上することができる。なお、消化ガス分離膜装置によ
り分離された二酸化炭素濃縮ガスの全部を、二酸化炭素
ガス循環流路を介して、消化槽へ戻すことも考えられる
が、これでは消化槽内の二酸化炭素濃縮ガスのガス量が
多くなりすぎて、消化ガス分離膜装置などの設備全体が
大型化し、これだけでなく二酸化炭素濃度が高すぎて、
得られたメタン濃縮ガスの濃度低下を招き、燃料電池の
燃料としては好ましくない。

【０００９】請求項３記載の燃料電池設備においては、
第２段目のメタンガス分離膜装置の透過側より得られた
希薄メタンガスの一部を、希薄メタンガス循環流路を介
して消化槽へ戻すので、この希薄メタンガス中に含まれ
るメタンを消化槽を経て分離膜装置で回収することがで
きるので、メタンガスの回収率が向上する。また、同時
に、希薄メタンガス中に含まれる二酸化炭素ガスを、請
求項２と同様に消化槽の二酸化炭素濃度の調整に適量だ
け使用することにより、比較的少ないガス循環量で、容
易にその二酸化炭素濃度の調整が可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態を挙げ、本発明
をさらに詳細に説明する。なお、本発明は、後述の実施
の形態に限定されないことは言うまでもない。まず、図
１に基づいて、本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の燃料電
池設備は、有機性汚泥１０ａを嫌気性微生物を用いて生
物処理する消化槽１０と、消化槽１０で発生した消化ガ
スａ中の硫化水素などを除去する脱硫器２０と、脱硫さ
れた消化ガスａを二酸化炭素濃縮ガスｂおよびメタン濃
縮ガスｃに分離する消化ガス分離膜装置３０と、得られ
たメタン濃縮ガスｃを燃料とする燃料電池５０とを備え
ている。

【００１１】消化槽１０は、ＲＣ構造の円筒槽や、ＰＣ
構造または鋼構造の卵形槽、上下円錐槽であり、槽内雰
囲気は嫌気性とし、メタン生成菌の育成に良好な温度と
ｐＨに保持されるものとする。消化槽１０に投入された
有機性汚泥１０ａは、各種の嫌気性菌の作用により分解
される。まず、高分子有機質が通性嫌気性菌群（基質分
解菌）により低分子中間生成物であるアルコール、有機
酸、有機塩などに分解される。この際、多量の水素と少
量のメタンガスとが遊離するために、水素発酵とも言わ
れる。その後、低分子中間生成物が絶対嫌気性菌（メタ
ン菌）により、水溶性無機物とガスとに分解される。す
なわち、二酸化炭素ガス、メタンガス、アンモニアなど
が生成される。この際、特にメタンガスが多量に発生す
るので、メタン発酵とも言われる。

【００１２】汚泥の反応は、次式のように行われる。 炭水化物（ブドウ糖）；Ｃ₆ Ｈ₁₂Ｏ₆ ＋２Ｈ₂ Ｏ→２
ＣＨ₃ ＣＯＯＨ＋４Ｈ₂ ＋２ＣＯ₂ 脂質（トリブチリン）；Ｃ₃ Ｈ₅ （Ｃ₃ Ｈ₇ ＣＯＯ）
₃ ＋１０Ｈ₂ Ｏ→７ＣＨ₃ ＣＯＯＨ＋ＨＣＯＯＨ＋８Ｈ
₂ 蛋白質（トレオニン酸）；３ＣＨ₃ ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ
（ＮＨ₂ ）ＣＯＯＨ＋７Ｈ₂ Ｏ→４ＣＨ₃ ＣＯＯＨ＋８
Ｈ₂ ＋４ＣＯ₂ ＋３ＮＨ₃ メタン菌の利用可能な基質は、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ₃ ＣＯ
ＯＨ、ＣＨ₃ ＯＨ、およびＨ₂ とＣＯ₂ とされており、
これ以外の脂肪酸は、水素生産性の酢酸生成菌により、
ＣＨ₃ ＣＯＯＨに変換されたのち、メタン菌により、メ
タンが生成される。これらのメタン生成機構により生成
されるメタンの割合は、ＣＨ₃ ＣＯＯＨ経由（ＣＨ₃ Ｃ
ＯＯＨ→ＣＨ₄ ＋ＣＯ₂ ）が約７０％、残りはＣＯ₂ の
還元（ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ →ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ）によると言
われている。

【００１３】アンモニアは、亜硝酸アンモンの形で消化
液中に残るから、結局、メタンガスおよび二酸化炭素ガ
スを主成分とし、少量の水素および硫化水素を含むガス
が、消化槽１０で発生する消化ガスａとなる。このよう
にして発生する消化ガスａの組成は、一般にメタン６５
〜７０重量％、二酸化炭素３０〜３５重量％の混合ガス
である。通常、消化槽１０の上部空間はこのような組成
の消化ガスａの雰囲気下にある。この組成の消化ガスａ
の低位発熱量は２３〜２５ＭＪ／Ｎｍ³ であって、例え
ばガスエンジン発電の燃料としては利用できるものの、
本発明が対象とする燃料電池５０用の燃料としては、二
酸化炭素濃度が高く、改質後の水素濃度が低くなるた
め、発電効率が低くなりすぎる。

【００１４】消化槽１０の汚泥の投入管と消化汚泥の排
出管との間には、排出される消化汚泥により投入汚泥を
加熱する汚泥／汚泥熱交換器１１が設けられており、ま
た消化槽１０の上部には、消化ガスａの一部を槽内の水
面下へ導入して気液の接触を良くするバブリング手段１
２が設けられている。なお、機械攪拌式のものでもよ
い。消化ガス分離膜装置３０は、二酸化炭素とメタンの
透過係数比の高い高分子気体分離膜で分離された２室か
らなる。導出された消化ガスａを一方の部屋３０ａに導
き（以下「非透過側」という）、他方の室３０ｂ（以下
「透過側」という）の圧力を非透過側３０ａよりも低く
すると、消化ガスａ中の希薄メタンガスを含む二酸化炭
素濃縮ガスｂが高分子気体分離膜を透過側３０ｂへと透
過し、透過しないメタン濃縮ガスｃが分離される。二酸
化炭素濃縮ガスｂは、希薄メタンガスを燃焼させる余剰
ガス燃焼装置４０に連結されたリーンガスタンク３１に
蓄えられる一方、メタン濃縮ガスｃは、消化ガス分離膜
装置３０と燃料電池５０との間にあるメタンリッチガス
タンク３２に蓄えられる。

【００１５】ここで、使用する高分子気体分離膜として
は、三酢酸セルロース膜、ポリスルホン膜、ポリエーテ
ルスルホン膜、スチレンをグラフトし、スルホン化した
ポリテトラフルオロエチレン膜、ポリイミド膜、カーボ
ン膜、微多孔質ガラス複合膜などのほか、酸素と窒素の
分離に用いられる高分子膜などが挙げられる。また、消
化槽１０と燃料電池５０（この第１の実施の形態では、
リン酸型燃料電池を採用している）との間には、消化槽
１０内の有機性汚泥１０ａを微生物処理し易い３５〜５
５℃に保持するための熱交換システム６０が配備されて
いる。

【００１６】ところで、燃料電池は、連続供給される燃
料のもつ化学エネルギーを、電気化学的に直接電気エネ
ルギーに変換するもので、各種のものが開発されてい
る。燃料電池の種類では、使用する電解液（電解質）の
種類によって分類すると、アルカリ電解液を用いるアル
カリ水溶液電解質燃料電池、酸性電解液を用いるリン酸
電解質燃料電池、溶融塩電解質を用いる溶融炭酸塩電解
質燃料電池、固体電解質を用いる固体電解質燃料電池、
高分子固体電解質を用いるイオン交換膜燃料電池などが
ある。

【００１７】このうち、リン酸電解質燃料電池は、燃料
に純水素と限らず、天然ガス、メタノールなどから改質
して得られた水素ガスでも使用可能なものであり、電解
液としてリン酸を用いて、低温で作動する燃料電池であ
る。また、電池の基本構成は、リン酸を含浸させたマト
リックス（多孔体）を挟んで燃料極と空気極とを対峙さ
せ、これを囲んで燃料ガスまたは空気の通路が設けられ
ている。また、溶融炭酸塩電解質燃料電池は、各種の炭
酸塩、例えば炭酸リチウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリ
ウムなどの混合物は比較的低い温度で溶融し、炭酸イオ
ンによる導電性を示す。これを多孔性セラミック板（マ
トリックス）に含浸させるか、マグネシア、アルミナの
粉末と混ぜてペーストとして電解質を作る。この電池は
６００〜６５０℃のような高温で作動させる。基本構成
は、マトリックスまたはペースト状の溶融塩電解質を挟
んで燃料極と空気極とが設けられている。

【００１８】ところで、上記燃料電池のうち、リン酸電
解質燃料電池は、近年、都市ガスに適用可能であり、特
にその普及が著しい。このリン酸電解質燃料電池は、硫
化水素などの硫化物から改質装置の触媒および電池本体
の電極を保護するための脱硫器、メタンから水素を生成
する水蒸気改質装置、一酸化炭素を二酸化炭素に変換す
るＣＯ変成器および電池本体と反応後の凝縮水を処理す
る水処理装置などが一体化されてなる。

【００１９】前記熱交換システム６０は、消化槽１０側
の、汚泥／温水熱交換器６１を有する汚泥循環ループ６
２と、燃料電池５０側の、温水ボイラ６３および排熱回
収装置６４、高温水槽６５、低温水槽６６を有する温水
循環ループ６７と、汚泥循環ループ６２および温水循環
ループ６７を接続する接続温水循環ループ６８とを備え
ている。なお、温水ボイラ６３は、温水循環ループ６７
内の循環水を昇温させるために、リーンガスタンク３１
から余剰ガス燃焼装置４０へ導かれる途中の、希薄メタ
ンガスを加熱用燃料として供給する。

【００２０】熱交換システム６０は、温水循環ループ６
７内の循環水を、排熱回収装置６４における燃料電池５
０の発電時の反応熱と、温水ボイラ６３の燃焼熱とによ
り昇温させ、昇温された循環水を高温水槽６５に供給
し、それを接続温水循環ループ６８の循環水として汚泥
／温水熱交換器６１へ送り込み、ここで汚泥循環ループ
６２内の汚泥を昇温させることにより、消化槽１０内の
汚泥を前記温度に保持するものである。なお、図１にお
いて、記号７０は各種圧送ポンプ、記号７１は各種バキ
ューム装置である。

【００２１】次に、本発明の第１の実施の形態における
燃料電池設備１０の動作を説明する。汚泥／汚泥熱交換
器１１を介して、消化汚泥により加熱された投入汚泥
は、消化槽１０に投入される。ここで、バブリング手段
１２により、消化槽１０内の有機性汚泥１０ａが循環消
化ガスによりバブリングされて消化液の攪拌が行われ、
メタン発酵が良好に行われる。この際、燃料電池５０の
熱および温水ボイラ６３の熱により加熱された温水循環
ループ６７の循環水、それから接続温水循環ループ６８
の循環水を介して、汚泥循環ループ６２の汚泥が汚泥／
温水熱交換器６１により熱交換され、温められた汚泥が
消化槽１０内へ戻される。このように、燃料電池５０か
らの排ガスを消化槽１０の汚泥加熱に利用できるので、
極めて高い熱効率が得られる。

【００２２】消化槽１０で発生した消化ガスａは、脱硫
器２０において硫化水素などの硫化物が脱硫され、その
のち消化ガス分離膜装置３０へ送られる。ここで、分離
された一方の希薄メタンガスを含む二酸化炭素濃縮ガス
ｂがリーンガスタンク３１へ送られ、他方のメタン濃縮
ガスｃがメタンリッチガスタンク３２に一時貯溜された
のち、燃料電池５０の燃料として供給される。なお、リ
ーンガスタンク３１に一時貯溜された希薄メタンガスを
含む二酸化炭素濃縮ガスｂは、余剰ガス燃焼装置４０に
送られて燃焼されるが、途中、その一部が温水ボイラ６
３へ導入されて加熱用燃料とされ、燃焼ガスは余剰ガス
燃焼装置４０から排出される。

【００２３】因みに、容量３，０００ｍ³ の消化槽に、
汚泥を２００ｍ³ ／Ｄ投入し、汚泥温度５０℃でメタン
発酵させると、メタンガス濃度が約６３％の消化ガスａ
が２，８００Ｎｍ³ ／Ｄ発生し、その消化ガスを消化ガ
ス分離膜装置３０で二酸化炭素を分離すると、メタンガ
ス濃度が約９０％のメタン濃縮ガスが１，５７０ｍ³／
Ｄ得られた。これは、都市ガス用に使用されている２０
０ｋｗのリン酸型燃料電池の燃料に相当する。

【００２４】このように、消化ガス分離膜装置３０によ
り濃縮されたメタン濃縮ガスｃを、燃料改質装置（図示
せず）を経て、水素ガスに改質して燃料電池５０へ燃料
として供給するようにした。このため、有機性汚泥１０
ａをメタン発酵させて得られたメタンガスを、燃料電池
５０の燃料に使用できるほどに濃縮してその燃料電池５
０に供給でき、従来技術の欄で説明した消化ガスをアル
カリ水溶液により湿式吸収して二酸化炭素ガスを除去す
るものに比べて、設備のコンパクト化が図れ、またラン
ニングコストおよび設備コストも低減する。

【００２５】次に、図２に基づいて、本発明の第２の実
施の形態の燃料電池設備を説明する。図２に示すよう
に、本発明の第２の実施の形態の燃料電池設備は、消化
ガス分離膜装置３０と消化槽１０との間に、消化ガス分
離膜装置３０より得られた二酸化炭素濃縮ガスｂの一部
を、バブリング手段１２を介して、消化槽１０へ戻して
循環させる二酸化炭素ガス循環流路８１を設けること
で、消化ガス分離膜装置３０で採取された高濃度の二酸
化炭素濃縮ガスｂを、消化槽１０の二酸化炭素濃度の調
整に適量だけ使用し、これにより消化槽１０において、
少ないガス循環量で、容易に二酸化炭素濃度の調整が可
能とするとともに、二酸化炭素濃縮ガスｂ中に含まれる
メタンの回収を図った。

【００２６】次に、図３に基づいて、本発明の第３の実
施の形態の燃料電池設備を説明する。図３に示すよう
に、本発明の第３の実施の形態の燃料電池設備は、メタ
ンガス分離膜装置８０より得られたメタンガスの一部を
消化槽１０へ戻して循環させる希薄メンタンガス循環流
路８２を設けることにより、この希薄メタンガスｄ中に
含まれるメタンを有効に回収するとともに、二酸化炭素
ガスを、第２の実施の形態と同様に、消化槽１０の二酸
化炭素濃度の調整に適量だけ使用することにより、比較
的少ないガス循環量で、容易にその二酸化炭素濃度の調
整を可能とした例である。

【００２７】次に、図４に基づいて、本発明の第４の実
施の形態の燃料電池設備を説明する。図４に示すよう
に、本発明の第４の実施の形態の燃料電池設備は、消化
ガス分離膜装置３０より得られた二酸化炭素濃縮ガスｂ
の一部を消化槽１０に戻し、メタンガス分離膜装置８０
より得られた希薄メタンガスを消化ガス分離膜装置３０
の入口側に戻すことにより、消化槽１０における二酸化
炭素濃度の調整とメタン回収率の向上を同時に図ること
が可能である。

【００２８】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、要
旨を逸脱しない範囲での設計の変更などがあっても本発
明に含まれる。例えば、実施の形態では、脱硫器を消化
槽と消化ガス分離膜装置との間に設けたが、これに限定
しなくても、例えば燃料電池の燃料供給側に設けてもよ
い。また、硫化水素は、消化ガス分離膜の二酸化炭素濃
縮ガス側に混入するため、脱硫器は必ずしも必要ではな
い。

【００２９】

【発明の効果】請求項１〜３記載の燃料電池設備におい
ては、このように消化ガス分離膜装置により、濃縮され
たメタン濃縮ガスを燃料電池へ燃料として供給するよう
にしたので、従来の消化ガスをアルカリ水溶液により湿
式吸収して二酸化炭素ガスを除去するものに比べて、設
備のコンパクト化が図れ、またランニングコストおよび
設備コストも低減できる。

【００３０】請求項２〜３記載の燃料電池設備において
は、消化ガス分離膜装置により分離された二酸化炭素濃
縮ガスの一部を二酸化炭素ガス循環流路を介して、また
メタンガス分離膜装置より分離されたメタンガスの一部
を希薄メタンガス循環流路を介して、それぞれ消化槽へ
戻すようにしたので、メタン回収率の向上が図れるとと
もに、少ないガス循環量で消化槽内での二酸化炭素濃度
の調整が容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料電池設備の概
略構成図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の燃料電池設備の要
部概略構成図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態の燃料電池設備の要
部概略構成図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態の燃料電池設備の要
部概略構成図である。

【符号の説明】

１０ 消化槽 １０ａ 有機性汚泥 ２０ 脱硫器 ３０ 消化ガス分離膜装置 ５０ 燃料電池 ８０ メタンガス分離膜装置 ８１ 二酸化炭素ガス循環流路 ８２ 希薄メンタンガス循環流路 ａ 消化ガス ｂ 二酸化炭素濃縮ガス ｃ メタン濃縮ガス ｄ 希薄メタンガス ｅ 高濃度メタンガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 浩之 神奈川県川崎市川崎区大川町２番１号 三 菱化工機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有機性汚泥を嫌気性微生物を用いて生物
   処理する消化槽と、消化槽で発生した消化ガスを、二酸
   化炭素濃縮ガスおよびメタン濃縮ガスに分離する消化ガ
   ス分離膜装置と、得られたメタン濃縮ガスを燃料とする
   燃料電池とを備えたことを特徴とする燃料電池設備。
2. 【請求項２】 消化ガス分離膜装置と燃料電池との間
   に、メタン濃縮ガスを希薄メタンガスおよび高濃度メタ
   ンガスに分離するメタンガス分離膜装置を設け、消化ガ
   ス分離膜装置の透過側より得られた二酸化炭素濃縮ガス
   の一部を、消化槽へ戻して循環させる二酸化炭素ガス循
   環流路を設けた請求項１記載の燃料電池設備。
3. 【請求項３】 消化ガス分離膜装置と燃料電池との間
   に、メタン濃縮ガスを希薄メタンガスおよび高濃度メタ
   ンガスに分離するメタンガス分離膜装置を設け、メタン
   ガス分離膜装置の透過側より得られた希薄メタンガスの
   一部を、消化槽へ戻して循環させる希薄メタンガス循環
   流路を設けた請求項１記載の燃料電池設備。