JP2004014124A

JP2004014124A - Method for power generation and generator

Info

Publication number: JP2004014124A
Application number: JP2002161341A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Nakanishi; 中西　顕宏; Tadashi Kamiyanagida; 上柳田　正; Yasutoshi Shiyouji; 庄司　恭敏; Norihiko Kumada; 熊田　憲彦
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2004-01-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for power generation and a generator recovering gas containing excessive carbon dioxide gas produced when using gasified gas from waste products without discharging it into the atmosphere and using it efficiently. <P>SOLUTION: In the power generating method, electrical energy is obtained by feeding the gas containing hydrogen and carbon monoxide to an anode pole 10a of a fuel cell (MCFC) 10 and feeding the gas containing oxygen and carbon dioxide gas to a cathode pole 10b of the fuel cell 10. The gas with a greater ratio of carbon components than in natural gas is fed to the anode pole 10a and the gas exhausted from the anode pole 10a is combusted so that carbon dioxide gas can be recovered from the gas after combustion. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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（ＣＯ_３ ^２−）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（ＣＯ_２）を含むガスと、水素（Ｈ_２）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＋ＣＯ_２→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（Ｎ_２）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（Ｈ_２Ｏ）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Ｈ_２＋ＣＯ_２＋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／ｃｍ^２）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／ｃｍ^２）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／ｃｍ^２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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The claimed invention relates to a power generation method and a power generation device using a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a means for realizing power generation with high efficiency. The reason why the power generation efficiency is high is that chemical energy is directly converted to electric energy, and mechanical loss and the like as in the case of using a steam turbine or a gas turbine are extremely small.
[0003]
A molten carbonate fuel cell (MCFC), which is considered to be preferable as a large-scale power source or the like, generates electricity by causing carbonate ions (CO ₃ ^2- ) to carry electrons from the cathode to the anode in a cell provided with an electrolyte. do. That is, when a gas containing carbon dioxide (CO ₂ ) and a gas containing hydrogen (H ₂ ) and carbon monoxide (CO) are supplied to the cathode and the anode respectively at an appropriate temperature and pressure, Carbonate ions move in the cell from the cathode electrode supplied with the gas containing carbon dioxide gas to the anode electrode on the opposite side.
[0004]
FIG. 4 shows an outline of a conventional power generator using such a fuel cell. Normally, natural gas is reformed by the reformer 33 to produce a gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, or the like, and the gas is supplied to the anode 30 a of the fuel cell 30. From the anode 30a, gas containing carbon dioxide gas and water is discharged together with unused hydrogen and carbon monoxide. The exhaust gas is burned with air to serve as a heat source for the reformer 33, and the burned gas (including carbon dioxide) is recycled and supplied to the cathode 30b of the fuel cell 30. The gas discharged from the cathode 30b may be supplied to the expansion turbine 38 as shown in the drawing to further recover the energy.
A power generator similar to that shown in FIG. 4 is described in, for example, JP-A-11-354143 and JP-A-10-144332.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The power generator shown in FIG. 4 functions most smoothly when the gas supply source is natural gas, and can balance the amount of carbon dioxide to be recycled and the amount of carbon dioxide to be recycled as described above. However, if another gas containing a larger amount of the carbon component (C) is supplied instead of natural gas, such a balance in the amount of carbon dioxide gas will be lost. That is, carbon dioxide gas increases in the gas discharged from the anode 30a, and the gas after burning as a heat source of the reformer 33 contains a very large amount of carbon dioxide. Even if the reaction rate is considerably increased, excess carbon dioxide gas will be generated.
[0006]
Examples of the gas having a higher carbon component than natural gas include gasified waste gas. “Waste” refers to various general wastes and industrial wastes such as waste plastics, garbage, wood chips, biomass, and paper waste. Generally, the carbon component is higher than the hydrogen component, and the component ratio in natural gas (hydrogen) Is more than carbon). Therefore, gas produced by incomplete combustion of these wastes contains much more carbon monoxide and carbon dioxide gas than natural gas reformed gas.
[0007]
FIG. 3 shows the result of investigating the ratio (surplus rate) of carbon dioxide gas that can be surplus to the gas supplied to the fuel cell for the gas obtained by reforming natural gas and the gasification gas of waste. I have. In the case of natural gas reformed gas, the excess rate of carbon dioxide (vertical axis) can be made zero by appropriately increasing the reaction rate (horizontal axis) at the cathode electrode. However, in the case of waste gasification gas, as long as the reaction rate at the cathode electrode is maintained at a desired level (that is, unless the power generation efficiency is intentionally set to be low or low), a large amount of excess carbon dioxide gas is generated. Needless to say, gas containing excess carbon dioxide gas tends to cause environmental inconvenience, such as promoting global warming, when released into the atmosphere.
[0008]
The invention according to the claims provides a power generation method and a power generation device that enable a gas containing excess carbon dioxide gas generated in the above case to be collected without being released into the atmosphere and to be used meaningfully. Things.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the power generation method described in claim 1, a gas containing hydrogen and carbon monoxide is supplied to an anode of a fuel cell (MCFC), and a gas containing oxygen and carbon dioxide is supplied to a cathode of the fuel cell. In a power generation method for obtaining electrical energy,
・ A gas with a higher carbon content than natural gas is supplied to the anode,
-The gas (including unused hydrogen and carbon monoxide) discharged from the anode is burned, and carbon dioxide is recovered from the burned gas.
Examples of the gas having a carbon component ratio higher than that of natural gas include the above-mentioned waste gasified gas and a gas obtained by gasifying coal.
[0010]
According to this power generation method, even when other gas containing a larger amount of carbon components is supplied to the anode of the fuel cell instead of natural gas, the amount of carbon dioxide generated and used is balanced, and the amount of carbon dioxide is released into the atmosphere. Can be eliminated (or reduced). If the carbon component is contained in a large amount, the gas supplied to the anode, the gas discharged from the anode, and the gas after combustion contain a large amount of carbon dioxide, Exceeds the amount of carbon dioxide gas supplied to and used at the cathode. However, as described above, the carbon dioxide gas is collected and used for the later effective use such as using it at the cathode electrode, so from a broader perspective, the amount of generated and used carbon dioxide gas is balanced, Release to the atmosphere will be suppressed. If a gas having a carbon component ratio similar to that of natural gas is temporarily supplied, the recovery path is narrowed, or the recovered carbon dioxide gas is supplied to the cathode as it is, so that the fuel cell can operate smoothly. Operation can be continued.
[0011]
Carbon dioxide gas functions as a gasifying agent to gasify carbon-containing substances contained in wastes and coal by, for example, a reaction of C + CO ₂ → 2CO, and has a low activity, so that it can be stably used in a high-temperature atmosphere. There is also a great demand for gas (for example, gas for airflow, gas for sealing or cleaning). Therefore, if the carbon dioxide gas is recovered as described above, the possibility that various industrial operations can be economically performed using the carbon dioxide gas is expanded.
[0012]
In the above invention, the reason why the exhaust gas from the anode electrode is burned is that the combustible components are completely burned to be converted into carbon dioxide gas and water. In order to reduce the other components and obtain a high-purity carbon dioxide gas which can be used in a preferable mode for various uses, the following method is preferred. That is, first, when burning the gas discharged from the anode electrode, the gas is burned not by air but by oxygen. Then, nitrogen (N ₂ ) contained in the combustion gas in the case of using air is not mixed into the carbon dioxide gas. In addition, the gas after combustion is not collected as it is, but is cooled and condensed to remove water (H ₂ O), and then only the gas is collected. In this case, preferable carbon dioxide gas separated from moisture in the gas can be recovered. As the carbon dioxide gas supplied to the cathode electrode, supplying carbon dioxide gas of high purity obtained in this way is significant in that the reaction at the cathode electrode is promoted and the power generation efficiency is improved.
[0013]
In the power generation method according to the present invention, the gas (gas containing hydrogen and carbon monoxide) supplied to the anode electrode is heated by the gas discharged from the anode electrode and burned (in addition, the combustion is performed). Carbon dioxide gas is recovered from the above gas).
[0014]
The reaction proceeds at about 650 ° C. at the anode of the fuel cell (MCFC). Therefore, the gas containing hydrogen and carbon monoxide to be supplied to the anode is preferably supplied at a temperature as close as possible to 650 ° C., rather than at room temperature. According to the power generation method of the present invention, the gas supplied to the anode is heated by the heat of the gas burned as described above, so that the reaction at the anode can be actively and stably performed. it can.
[0015]
In the power generation method according to the third aspect, particularly, the gas discharged from the anode and burned is introduced into the gas turbine to drive the generator, and then the gas after combustion (the gas exiting the gas turbine) ) To recover carbon dioxide.
[0016]
The gas burned after being discharged from the anode has not only high temperature but also pressure energy. Therefore, by introducing the gas into the gas turbine according to the invention of this claim, it is possible to drive the power generator and generate electric power effectively. This means that even more efficient power generation can be performed by effectively utilizing the energy not used in the fuel cell.
[0017]
The power generation method according to claim 4 is characterized in that a gas obtained by gasifying waste is used as the gas having a higher carbon component ratio than natural gas. As described above, the waste refers to various general wastes and industrial wastes such as waste plastics, garbage, wood chips, biomass, and paper trash.
[0018]
Such gasification of waste is a technology that attracts attention in terms of both disposing of waste and developing new energy. The invention of this claim effectively utilizes the gas obtained by gasification of such waste and suppresses the emission of carbon dioxide gas generated into the atmosphere. Also provide a meaningful solution to
[0019]
In particular, the power generation method according to claim 5 is characterized in that when recovering carbon dioxide gas, water is separated and the water is supplied to the anode together with the above-mentioned gas containing hydrogen and carbon monoxide. In order to separate the water, for example, the method of cooling the burned gas and condensing the water to remove the water may be employed as described above.
[0020]
If the water is separated when the carbon dioxide gas is collected, the purity of the carbon dioxide gas is increased as described above, and the carbon dioxide gas can be used in a preferable mode for various uses. On the other hand, if the separated water is supplied to the anode together with the gas containing hydrogen and carbon monoxide, the reaction at the anode proceeds smoothly. That is, according to the invention of this claim, the two merits of increasing the purity of carbon dioxide gas and facilitating the reaction can be achieved only by separating and transferring the water in the system without having to supply the water from the outside. It can be obtained simultaneously and economically.
[0021]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell (MCFC) having an anode electrode supplied with a gas containing hydrogen and carbon monoxide and a cathode electrode supplied with a gas containing oxygen and carbon dioxide gas. Including
A combustion unit for burning the gas, a cooling unit for cooling the gas after combustion, and a gas recovery container are connected in this order to a path of the gas discharged from the anode electrode,
-It is characterized by having a pipeline for supplying the gas contained in the collection container to the cathode electrode as the above-mentioned gas.
[0022]
According to the power generation device having such a configuration, the power generation method described in claim 1 can be appropriately performed. When a gas having a higher carbon component ratio than natural gas is supplied to the anode, a large amount of carbon dioxide is also contained in the gas discharged from the anode, but the gas is burned by the combustion means, and further cooled by the cooling means. This is because high-purity carbon dioxide gas can be recovered in the gas recovery container by cooling to remove water by condensation. The carbon dioxide gas collected in the container has a large demand as described above, and has an effect of economically realizing various industrial operations.
In addition, since the high purity carbon dioxide gas collected in the collection container is supplied to the cathode, there is an advantage that the reaction at the cathode is promoted and the power generation efficiency is improved.
[0023]
According to a seventh aspect of the present invention, in the power generation apparatus, a heating unit for heating the gas by heat generated by the combustion unit is disposed in a path of the gas supplied to the anode.
In this power generation device, the gas discharged from the anode is burned by the combustion means, and the heat generated by the burned gas heats the gas supplied to the anode. Therefore, the power generation method according to claim 2 can be smoothly performed. Therefore, in this device, the reaction at the anode electrode can be actively and stably performed.
[0024]
The power generator according to claim 8 is characterized in that a gas turbine for power generation is provided on the downstream side of the combustion means in the path of the gas discharged from the anode.
With this power generation device, the power generation method described in claim 3 can be smoothly performed. Since the gas discharged from the anode and burned by the combustion means is introduced into the gas turbine to generate electric power, and then the cooling means and the gas recovery container can be used to recover carbon dioxide from the burned gas. is there. Therefore, in this device, it is possible to effectively utilize the energy that has not been used in the fuel cell and generate power with higher efficiency.
[0025]
The power generation apparatus according to claim 9 is characterized in that a waste gasifier is connected as a source of the gas containing hydrogen and carbon monoxide and supplied to the anode electrode. I do.
In this device, the power generation method described in claim 4 can be implemented. As a result, it is expected that advantageous effects in various aspects such as waste treatment, energy development, and prevention of global warming will be provided.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
One embodiment of the present invention is shown in FIG. The power generation device 1 is a device mainly including a molten carbonate fuel cell (MCFC) 10. This power generation device 1 is characterized in that a gas having twice the amount of carbon-based gas as hydrogen gas (H ₂ + CO ₂ + CO shown on the left side of the figure) is used as a power generation material.
[0027]
In the power generator 1, first, the above-mentioned gas (raw material gas) having a high carbon component ratio is brought to about 650 ° C. in a combustor 13 (which is a heating means for the raw material gas and also a combustion means for the anode exhaust gas described later). After heating, it is supplied to the anode 10a of the fuel cell 10 via the pipe 13a. A gas (anode exhaust gas, about 650 ° C., about 5 kgf / cm ² ) containing a component that has reacted or remains unreacted at the anode 10 a is sent to the above-described combustor 13 through a pipe 13 b, and is sent through a pipe 13 c. Complete combustion using supplied oxygen.
[0028]
The burned anode exhaust gas is cooled by passing through a gas cooler 15 (cooling means) through a pipe 13d, and the carbon dioxide gas is recovered into a recovery vessel 17 through a pipe 15a, and the water condensed in the cooler 15 is removed by a pipe. Road 15b. Since the recovery container 17 has a sufficient capacity, the carbon dioxide stored here can be effectively used at any time as a chore gas in a power plant or the like without being released into the atmosphere.
[0029]
The water separated at the time of cooling is included in the raw material gas supplied to the pipe 13a by passing through the pipe 15b. The supply of the raw material gas containing moisture to the anode 10a has an effect of facilitating the power generation in the fuel cell 10.
[0030]
The cathode electrode 10b of the fuel cell 10 is supplied with a gas obtained by adding a part of the carbon dioxide gas once recovered in the recovery container 17 to the air sent through the pipeline 16b from the pipeline 17a. Such a gas reacts at the cathode 10b to generate carbonate ions and move them toward the anode 10a, so that the fuel cell 10 generates electric energy. Since a high-pressure (about 5 kgf / cm ² ) gas containing a large amount of nitrogen is discharged from the cathode 10 b, the gas is supplied to an expansion turbine 18 for power generation through a pipeline 16 a to perform auxiliary power generation. Then, the gas which has been expanded to a low temperature is used as a cooling medium for the gas cooler 15 through the above-mentioned conduit 16b.
[0031]
This power generator 1 has the following advantages. First, since the excess carbon dioxide not used in the cathode 10b is recovered and stored in the recovery container 17, a large amount of carbon-based gas is contained in the raw material gas, or the content of the carbon-based gas may fluctuate greatly. However, it is possible to prevent the emission of carbon dioxide into the atmosphere while smoothly operating the power generation device 1. Since high-purity carbon dioxide containing little unnecessary components such as moisture, nitrogen, and hydrogen can be supplied from the recovery container 17 to the cathode 10b, there is also an effect that power generation in the fuel cell 10 can be facilitated. Further, the raw material gas is heated in the combustor 13 and then supplied to the anode 10a, the water separated from the anode exhaust gas is added to the raw material gas, and the power generation turbine uses the excess energy of the gas exiting the cathode 10b. A highly efficient power generation can be achieved by a combined action such as driving the power generator 18.
[0032]
Another embodiment of the invention is shown in FIG. The power generation device 2 of FIG. 2 is also a device that generates power mainly using a molten carbonate fuel cell (MCFC) 20. The power generation device 2 is also characterized in that the raw material gas supplied to the anode 20a is generated by the waste gasifier 21.
[0033]
The waste gasifier 21 is a device for producing a gasified gas (flammable gas) such as carbon monoxide or hydrogen from combustible waste containing a carbon compound as a raw material. That is, oxygen, hydrogen, and carbon dioxide gas react with the carbon compound while supplying and heating the auxiliary fuel, thereby generating carbon monoxide, hydrogen, and the like as gasification gases. Since most combustible wastes have a large amount of carbon components, the generated gas contains many carbon-based gases such as carbon monoxide and carbon dioxide.
[0034]
The high-temperature gasified gas generated in the gasification furnace 21 is passed through a waste heat boiler 22 to generate steam that can be used for heating or the like, and to lower the gas temperature to an appropriate temperature. It is supplied to the anode 20a.
[0035]
The raw material gas (anode exhaust gas, including unreacted combustible components) after passing through the anode electrode 20a is sent to a combustor 23, in which auxiliary fuel and oxygen are added and burned at a high temperature. I do. The gas exiting the gas turbine 24 is cooled by air in a gas cooler 25, separated from moisture in a carbon dioxide separator 26, and carbon dioxide is collected in a collection container 27. The carbon dioxide gas collected and stored in the collection container 27 is supplied, for example, as a reaction gas to the gasification furnace 21 or used for sealing various devices in the power plant, etc. Do not release. Further, the water stored in the separator 26 may be effectively used in the power plant, and a part of the water may be included in the raw material gas to the anode 20a.
[0036]
Part of the carbon dioxide gas stored in the recovery container 27 is added to the cooling air whose temperature has increased through the cooler 25 and is supplied to the cathode 20 b of the fuel cell 20 together with the air. As described above, carbonate ions are generated in the fuel cell 20 by the action of this gas, and an electric current is generated by the movement of the ions. Since the gas generated from the cathode 20b has a pressure of about 5 kgf / cm ² , the gas is supplied to the power generation turbine 28 to improve the power generation efficiency of the power generation device 2 as a whole.
[0037]
Also in this power generation device 2, since the excess carbon dioxide gas is collected and stored by the collection container 27, a large amount of the carbon-based gas is contained in the raw material gas, or the composition of the waste varies, and the carbon-based gas is removed. Even if the content of the compound fluctuates greatly, no inconvenience occurs in terms of operation or environment. In addition to driving the power generation turbine 28 with the energy of the exhaust gas from the cathode 20b, the gas generated by the combustor 23 drives the power generation turbine 24, so that the power generation efficiency of the power generation device 2 as a whole is It can be said that it is quite high.
[0038]
【The invention's effect】
According to the power generation method described in claim 1, even when a gas containing a large amount of a carbon component is used as a raw material gas, the amount of carbon dioxide gas generated and used are balanced to prevent emission to the atmosphere (or Can be reduced). That is, the recovered carbon dioxide gas can be economically supplied for various industrial operations, and a favorable effect can be obtained in terms of prevention of global warming.
According to the power generation device of the sixth aspect, the effect can be obtained by appropriately executing the power generation method of the first aspect. In addition, there is a merit that the power generation efficiency in the fuel cell can be improved by using the highly pure carbon dioxide gas collected in the collection container.
[0039]
According to the power generation method according to the second aspect and the power generation apparatus according to the seventh aspect, the reaction at the anode electrode can be actively and stably performed, and the power generation efficiency can be improved.
[0040]
According to the power generation method according to the third aspect and the power generation device according to the eighth aspect, it is possible to generate power with higher efficiency by effectively utilizing energy not used in the fuel cell.
[0041]
The power generation method described in claim 4 and the power generation device described in claim 9 effectively utilize the gas obtained by gasification of waste and suppress the emission of generated carbon dioxide gas into the atmosphere. Therefore, it is preferable in terms of both effective use of resources and environmental protection.
[0042]
According to the power generation method according to the fifth aspect, the reaction in the fuel cell can be smoothed by using the water in the system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing an embodiment of the present invention, and is an overall system diagram of a power generator 1. FIG.
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the present invention, and is an overall system diagram of the power generation device 2. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing, for each type of gas, a ratio (surplus ratio) of carbon dioxide gas that can be surplus to the gas supplied to the fuel cell.
FIG. 4 is a system diagram showing a conventional power generator using a fuel cell.
[Explanation of symbols]
1.2 Power generation device 10/20 Fuel cell 10a / 20a Anode 10b / 20b Cathode 21 Waste gasifier 13/23 Combustor (combustion means)
15.25 Gas cooler (cooling means)
17.27 Gas Recovery Container

Claims

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。A method for supplying a gas containing hydrogen and carbon monoxide to an anode of a fuel cell, and supplying a gas containing oxygen and carbon dioxide to a cathode of the fuel cell to obtain electric energy,
A power generation method comprising supplying a gas having a carbon component ratio higher than that of natural gas to an anode electrode, burning the gas discharged from the anode electrode, and recovering carbon dioxide from the burned gas.

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。The power generation method according to claim 1, wherein the gas supplied to the anode electrode is heated by the gas discharged from the anode electrode and burned.

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。The gas discharged from the anode and burned is introduced into a gas turbine to drive a generator, and then carbon dioxide is recovered from the gas after combustion. Power generation method.

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。The power generation method according to any one of claims 1 to 3, wherein a gas obtained by gasifying waste is used as the gas having a higher carbon component ratio than natural gas.

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。The power generation method according to any one of claims 1 to 4, wherein water is separated when the carbon dioxide gas is recovered, and the water is supplied to the anode together with the gas containing hydrogen and carbon monoxide. .

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。Including a fuel cell having an anode electrode supplied with a gas containing hydrogen and carbon monoxide, and a cathode electrode supplied with a gas containing oxygen and carbon dioxide gas,
A combustion means for burning the gas, a cooling means for cooling the gas after combustion, and a gas recovery container are connected in this order to the path of the gas discharged from the anode electrode, and the gas contained in the recovery container is A power generator comprising a pipe for supplying the above-mentioned gas to a cathode electrode.

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。7. The power generator according to claim 6, wherein heating means for heating the gas by heat generated by the combustion means is disposed in a path of the gas supplied to the anode.

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。The power generator according to claim 6 or 7, wherein a gas turbine for power generation is provided downstream of the combustion means in a path of gas discharged from the anode.

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。The waste gasifier according to any one of claims 6 to 8, wherein a waste gasifier is connected as a source of the gas containing hydrogen and carbon monoxide and supplied to the anode electrode. Power generator.