生物气利用甲烷化系统的制作方法

1.本发明涉及一种利用了生物气(biogas)的甲烷化系统。


背景技术：

2.例如从食品设备排出的食品残渣气体、从污水处理设备排出的消化气体等生物气包含甲烷等可燃性物质，作为新的燃料源而受到关注。以往，这种生物气被用作使用了锅炉、燃气发动机的火力发电装置的燃料、重整而被用作pafc(磷酸型燃料电池)的燃料，但发电效率较低(例如20-40％)，期待效率改善。另外，对于生物气，在其自身中、燃烧时产生的燃料气体排气中包含导致温室效应的二氧化碳，因此要求抑制其大气释放。
3.针对这样的课题，例如在专利文献1中提出了一种能量系统，其对热电联供系统组合水电解装置、甲烷化装置，从而能够提高能量效率并且抑制二氧化碳的排出。在该系统中，使用在水电解装置中生成的氢，使生物气所包含的二氧化碳、来自热电联供系统的燃料气体排气所包含的二氧化碳在甲烷化装置中反应，生成甲烷并将其向能量负荷网络供给，由此抑制二氧化碳向外部的排出。另外，还提及了在水电解装置中，通过利用可再生能源发电系统的电力，有助于降低环境负荷。
4.在先技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2019-90084号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的课题
8.然而，生物质的排出量有时根据季节而大幅变动。例如，从啤酒工厂排出的生物气在啤酒消耗量增加的夏季、冬季的季节增加，在啤酒消耗量减少的其他季节减少。在上述专利文献1中未考虑这样的生物质的排出量的变动，因此根据系统的运转条件，生物气的产生量与在甲烷化反应中通过可再生能源制造的氢的产生量不平衡，有可能不得不将在系统内过剩的二氧化碳向外部释放。
9.本发明的至少一实施方式是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种生物气利用甲烷化系统，该生物气利用甲烷化系统即使在被处理气体的供给量、可再生能源发电装置的电力发生了变动的情况下，也能够减少二氧化碳的排出，能够进行高效率且清洁的发电。
10.用于解决课题的方案
11.本发明的一个方案的生物气利用甲烷化系统为了解决上述课题，具备：
12.固体氧化物型燃料电池，其能够将含有甲烷及二氧化碳的被处理气体用作燃料气体来进行发电；
13.氢生成装置，其能够使用可再生能源发电装置的电力来生成氢；
14.甲烷化装置，其能够通过使用所述固体氧化物型燃料电池的燃料气体排气所包含
的二氧化碳和由所述氢生成装置生成的所述氢进行甲烷化处理来生成甲烷，并将该甲烷作为化学原料来生产或者作为所述燃料气体向所述固体氧化物型燃料电池供给；
15.甲烷精制装置，其能够对由所述甲烷化装置生成的甲烷气体进行精制，将该甲烷的至少一部分作为化学原料向外部供给，并且能够将排气向所述固体氧化物型燃料电池供给；以及
16.储存装置，其能够基于所述被处理气体的供给量和所述可再生能源发电装置的电力中的至少一方，储存向所述甲烷化装置供给的所述二氧化碳的至少一部分。
17.本发明的一个方案的生物气利用甲烷化系统为了解决上述课题，具备：
18.氢生成装置，其能够使用可再生能源发电装置的电力来生成氢；
19.甲烷化装置，其通过对含有甲烷及二氧化碳气体的被处理气体和由所述氢生成装置生成的所述氢进行甲烷化处理而生成甲烷；
20.甲烷精制装置，其能够对由所述甲烷化装置生成的所述甲烷进行精制，将该甲烷的至少一部分作为化学原料向外部供给，并且能够将排气向固体氧化物型燃料电池供给；
21.所述固体氧化物型燃料电池，其能够使用所述甲烷精制装置的排气来进行发电；以及
22.储存装置，其能够基于所述被处理气体的供给量和所述可再生能源发电装置的电力中的至少一方，储存向所述甲烷化装置供给的所述二氧化碳的至少一部分。
23.发明效果
24.根据本发明的至少一实施方式，能够提供一种生物气利用甲烷化系统，该生物气利用甲烷化系统即使在被处理气体的供给量、可再生能源发电装置的电力发生了变动的情况下，也能够减少二氧化碳气体的排出，能够进行高效率且清洁的发电。
附图说明
25.图1是一实施方式的生物气利用甲烷化系统的整体结构图。
26.图2是针对每个运用条件示出图1的生物气利用甲烷化系统的运用模式的图。
27.图3是另一实施方式的生物气利用甲烷化系统的整体结构图。
具体实施方式
28.以下，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。其中，作为实施方式所记载的或附图中所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等并不旨在将本发明的范围限定于此，而只不过是说明例。
29.例如，“在某一方向上”、“沿着某一方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对或绝对的配置的表述不仅表示严格意义上这样的配置，还表示具有公差、或者可得到相同功能的程度的角度、距离而相对位移了的状态。
30.例如，“相同”、“相等”以及“均质”等表示事物相等的状态的表述不仅表示严格相等的状态，也表示存在公差、或者可得到相同功能的程度的差异的状态。
31.例如，四边形状、圆筒形状等表示形状的表述不仅表示几何学上严格意义的四边形状、圆筒形状等形状，也表示在可得到相同效果的范围内包含凹凸部、倒角部等的形状。
32.另一方面，“具备”、“含有”、“配备”、“包括”或者“具有”一个构成要素这样的表述
不是将其他构成要素的存在排除在外的排他性表述。
33.图1是一实施方式的生物气利用甲烷化系统100的整体结构图。生物气利用甲烷化系统100是能够将含有可燃成分的被处理气体g用作燃料来进行发电的发电系统。被处理气体g例如是从啤酒工厂排出并含有作为可燃成分的甲烷的食品残渣气体那样的生物气。在以下的实施方式中，作为被处理气体g，例示了处理从啤酒工厂排出的生物气的情况，但被处理气体g例如可以是从污水处理设备排出的消化气体，也可以是在储存液化天然气(lng：liquefied natural gas)的箱内产生的蒸发气体。
34.经由被处理气体供给管线102向生物气利用甲烷化系统100供给被处理气体g。在被处理气体供给管线102的上游侧设置有：供给作为被处理气体g的主要成分的啤酒工厂的生物气g1的生物气供给源104、以及用于对从生物气供给源104供给的生物气g1实施前处理的前处理装置106。
35.从连接生物气供给源104与前处理装置106的生物气供给管线108分支出城市煤气供给管线110，城市煤气供给源112与生物气供给源104并联连接。城市煤气供给源112能够供给含有高纯度的甲烷的城市煤气g2。通过对设置于城市煤气供给管线110上的城市煤气流量调整阀113的开度进行控制，从城市煤气供给源112供给的城市煤气g2能够与在生物气供给管线108中流动的生物气g1混合。这样，通过调整城市煤气g2相对于生物气g1的供给量，能够利用城市煤气g2调整生物气g1所包含的甲烷供给量。
36.生物气g1与城市煤气g2的混合气体通过前处理装置106实施前处理。前处理是用于将混合气体精制成适合于生物气利用甲烷化系统100的被处理气体g的处理。例如，前处理装置106通过对混合气体实施脱硫处理，对混合气体所包含的硫成分进行脱硫，由此对被处理气体g进行精制。
37.生物气利用甲烷化系统100具备固体氧化物型燃料电池114、氢生成装置116、甲烷化装置118、储存装置120、以及系统控制部122。
38.固体氧化物型燃料电池114是通过使燃料气体与氧化性气体发生化学反应来进行发电的发电设备，具有优异的发电效率及环境应对等特性。固体氧化物型燃料电池114具备燃料极114a、电解质114b、以及空气极114c。
39.燃料极114a由ni与氧化锆系电解质材料的复合物构成，例如使用ni/ysz。在该情况下，对于燃料极114a，作为燃料极114a的成分的ni相对于作为燃料气体供给的被处理气体g具备催化作用。在该催化作用下，使供给至固体氧化物型燃料电池114的被处理气体g所包含的甲烷与燃料气体排气及从甲烷精制装置回收的水蒸气反应，重整为氢(h2)和一氧化碳(co)。另外，燃料极114a使通过重整得到的氢(h2)及一氧化碳(co)与经由固体电解质114b从空气极114c供给的氧离子(o
2-)在与固体电解质114b的界面附近发生电化学反应而生成水(h2o)及二氧化碳(co2)。经过了这样的反应的来自燃料极114a的燃料气体排气经由第一燃料气体排气管线117排出。
40.电解质114b使用氧化锆陶瓷等陶瓷。该电解质114b使在空气极114c生成的氧离子(o
2-)向燃料极114a移动。
41.空气极114c例如由lasrmno3系氧化物或lacoo3系氧化物构成。在该空气极114c与电解质114b的界面附近，被供给的空气等氧化性气体中的氧被还原而生成氧离子(o
2-)。在空气极114c向电解质114b供给了氧离子的剩余的氧化性气体排气能够从氧化性气体排出
部103向外部排出。
42.固体氧化物型燃料电池114也可以构成为能够将来自燃料极114a的燃料气体排气和来自空气极114c的氧化性气体排气独立地向外部取出。具体而言，来自燃料极114a的燃料气体排气能够经由第一燃料气体排气管线117取出，来自空气极114c的氧化性气体排气能够从氧化性气体排出部103取出。在本实施方式中，如上所述，在空气极114c中，氧化性气体中的氧在固体氧化物型燃料电池的电解质114b中作为氧离子向燃料极114a侧移动，在燃料极114a中与被处理气体g中的甲烷、通过重整反应生成的一氧化碳反应而在燃料气体排气中生成二氧化碳，因此原理上与通常的燃烧设备的排气相比，燃料气体排气中的二氧化碳的浓度变高。另一方面，在使燃料气体排气和氧化性气体排气在电池堆内部燃烧、未进行所谓的密封的固体氧化物型燃料电池中，由于在燃料气体排气中混入氧化性气体中的氮气，因此二氧化碳的浓度被稀释。在未进行密封的固体氧化物型燃料电池、燃气发动机的排气中，含有几％的二氧化碳、约80％的氮气，但在进行密封的该固体氧化物型燃料电池中，二氧化碳的浓度高达35～45％。在本实施方式中，由于来自燃料极114a的燃料气体排气中的二氧化碳的浓度高，因此二氧化碳的回收所需的动力降低，如后所述，能够有效地进行燃料气体排气所包含的二氧化碳的有效利用。
43.向固体氧化物型燃料电池114中的燃料极114a供给前述的被处理气体g和由甲烷化装置118生成的甲烷中的至少一方作为燃料气体。燃料气体中的被处理气体g与由甲烷化装置118生成的甲烷的比例能够如后述那样根据运用模式而改变。另外，经由氧化性气体供给管线148向固体氧化物型燃料电池114中的空气极114c供给来自氧化性气体供给源111的氧化性气体(空气)和在氢生成装置116中生成氢时作为副产物而生成的氧的双方或至少一方来作为用于与燃料气体反应的氧化性气体。
44.在固体氧化物型燃料电池114中，通过使这些燃料气体及氧化性气体反应来进行发电。由固体氧化物型燃料电池114产生的电力构成为能够根据电力需求从固体氧化物型燃料电池114的输出端(用虚线图示)经由送电电路115向外部的电力系统(例如所内电力系统、商用电力系统)供给。
45.需要说明的是，固体氧化物型燃料电池114的详细结构按照公知的例子，在本技术说明书中省略。
46.在从固体氧化物型燃料电池114中的燃料极114a排出的燃料气体排气中，包含作为发电反应的生成物的二氧化碳、水以及在发电反应中未被消耗的甲烷、一氧化碳、氢。从燃料极114a排出的燃料气体排气经由第一燃料气体排气管线117被导入干燥机119，去除燃料气体排气所包含的水分。由干燥机119去除的水分被水分回收器121回收，从而作为在后述的生成甲烷供给管线124中流动的甲烷的重整用蒸气使用，并且贮存在纯水箱130中。
47.需要说明的是，从空气极114c排出的氧化性气体排气不含有二氧化碳，能够作为清洁的气体从氧化性气体排出部103向外部排出。
48.由干燥机119去除了水分的燃料气体排气通过再循环气体压缩机132被导入二氧化碳回收装置134。二氧化碳回收方法包括使用了吸收剂的化学吸收法(胺吸收液等)、使用了吸附剂的物理吸收法(psa、tsa等)、膜分离法、深冷分离法等各种方式，根据处理量、燃料气体排气中的二氧化碳浓度、供给压力、温度等条件来选择适当的方法。二氧化碳回收装置134能够回收燃料气体排气中含有的二氧化碳的至少一部分，其回收量能够根据后述的运
用模式而改变。
49.由二氧化碳回收装置134回收的二氧化碳经由二氧化碳储存管线136储存于储存装置120。储存装置120例如是能够储存二氧化碳的箱设备，具有能够储存在系统内二氧化碳过剩时的最大量的容量。因此，即使在系统内二氧化碳过剩的情况下，也能够将二氧化碳的过剩量储存于储存装置120，不会向外部排出。另外，构成为在二氧化碳回收装置134中回收二氧化碳后的燃料气体排气经由第二燃料气体排气管线135返回固体氧化物型燃料电池114。
50.需要说明的是，储存装置120中储存的二氧化碳可以作为食品用原料、肥皂、混凝土注入、干冰、锅炉中和水等工业用气体被适当取出到外部。
51.储存装置120经由储存气体供给管线138与甲烷化装置118连接。在储存气体供给管线138设置有储存气体供给量调整阀139，构成为通过对储存气体供给量调整阀139的开度进行控制，向甲烷化装置118供给甲烷化反应所需的量的储存于储存装置120的二氧化碳。
52.在甲烷化装置118中，通过使经由储存气体供给管线138导入的二氧化碳与从氢生成装置116经由氢供给管线140供给的高纯度的氢反应来进行甲烷化处理，从而由二氧化碳和氢生成甲烷。甲烷化处理可以使用由以下的化学反应式所示的直接法，也可以使用间接法。
53.(直接法)
54.co2 4h2→
ch4 2h2o-39.4kcal/mol
55.(间接法)
56.co2 h2→
co h2o 9.8kcal/mol
57.co 3h2→
ch4 h2o-49.3kcal/mol
58.由甲烷化装置118生成的甲烷被导入甲烷精制装置142。甲烷精制装置142通过对由甲烷化装置118生成的甲烷进行精制来精制高纯度的甲烷。由甲烷精制装置142精制后的甲烷能够经由甲烷排出管线144作为化学原料取出到外部。另外，精制后的剩余的排气也可以经由甲烷供给管线124作为燃料气体向固体氧化物型燃料电池114供给。需要说明的是，经由生成甲烷供给管线124向固体氧化物型燃料电池114供给的甲烷与经由甲烷排出管线144向外部取出的甲烷的比例能够如后述那样根据运用模式而改变。
59.氢生成装置116是能够使用可再生能源发电装置的电力或剩余电力146来生成氢的设备，具体而言，通过使用可再生能源发电装置的电力或剩余电力146对贮存于纯水箱130的纯水进行水电解来生成氢。需要说明的是，可再生能源发电装置能够使用可再生能源以不伴随二氧化碳的排出的方式进行发电，剩余电力例如能够如原子能发电、水力发电那样以不伴随二氧化碳的排出的方式进行发电，通过在氢生成装置116中利用这些发电的电力，对于降低本系统中的二氧化碳的排出量是有效的。另外，由于可再生能源发电装置的发电量季节性或时间段性地变动，因此例如在仅用可再生能源发电装置中的发电量难以提供氢生成装置116所需的电力的情况下，能够通过利用剩余电力来弥补不足量。
60.氢生成装置116也可以将通过水电解处理生成的氢经由氢供给管线140向甲烷化装置118供给，并且将在水电解处理中作为副产物生成的氧经由氧化性气体供给管线148作为氧化性气体向固体氧化物型燃料电池114供给。由此，氧化性气体所包含的氧浓度上升，
从而固体氧化物型燃料电池114的发电性能提高。
61.需要说明的是，纯水箱130经由纯水供给管线145与氢生成装置116连接。在纯水供给管线145设置有纯水供给量调整阀147，通过对纯水供给量调整阀147的开度进行控制，从而能够调整向氢生成装置116供给纯水的供给量。
62.系统控制部122例如是用于进行构成生物气利用甲烷化系统100的上述各要素的控制的控制单元。系统控制部122例如由cpu(central processing unit)、ram(random access memory)、rom(read only memory)及计算机可读取的存储介质等构成。而且，作为一例，用于实现各种功能的一系列的处理以程序的形式存储于存储介质等，cpu将该程序读取到ram等，执行信息的加工/运算处理，由此实现各种功能。需要说明的是，程序也可以应用预先安装于rom、其他存储介质的方式、以存储于计算机可读取的存储介质的状态提供的方式、经由有线或无线的通信单元分发的方式等。计算机可读取的存储介质是指磁盘、磁光盘、cd-rom、dvd-rom、半导体存储器等。
63.系统控制部122具备：被处理气体供给量检测部122a，其用于检测向生物气利用甲烷化系统100供给的被处理气体g的供给量qs；可再生能源电力检测部122b，其用于检测可再生能源发电装置146的电力pa；以及控制部122c，其用于基于根据被处理气体供给量检测部122a及可再生能源电力检测部122b的检测结果确定的运用条件，对生物气利用甲烷化系统100的各构成要素进行控制。
64.被处理气体供给量检测部122a通过取得设置于被处理气体供给管线102的供给量传感器150的检测值，来检测向生物气利用甲烷化系统100供给的被处理气体g的供给量qs。另外，被处理气体供给量检测部122a也可以代替供给量传感器150那样的测定设备的测定结果、或者在此基础上，使用例如基于与作为生物气g1的供给源的啤酒工厂(生物气供给源104)的运转计划相关的数据、对啤酒工厂中的生产量造成影响的气象信息那样的与环境因素相关的数据并根据来自生物气供给源104的生物气g1的供给量而前馈地推定被处理气体g的供给量qs的结果。
65.可再生能源电力检测部122b检测可再生能源发电装置146的电力pa。电力pa例如作为由设置于可再生能源发电装置146的电力传感器152检测的某时间内的平均电力量而求出。
66.基于根据被处理气体供给量检测部122a及可再生能源电力检测部122b的检测结果确定的运用条件，将系统控制部122对生物气利用甲烷化系统100的控制分类为几个运用模式。图2是针对每个运用条件示出图1的生物气利用甲烷化系统100的运用模式的例子的图。在本实施方式中，生物气利用甲烷化系统100的运用模式包括第一运用模式p1～第四运用模式p4。
67.第一运用模式p1是与被处理气体g的供给量qs多且可再生能源发电装置146的电力pa相对于被处理气体g的供给量qs多的运转条件对应的运用模式。即，在第一运用模式p1中，相对于中性的运转条件(例如，被处理气体g的供给量qs及可再生能源发电装置146的电力pa为年间平均值的情况)，在被处理气体g的供给量qs增加且可再生能源发电装置146的电力pa增加的情况下被选择。这样的运转条件例如相当于由于啤酒工厂中的啤酒生产量增加而被处理气体g的排出量增加、由于日照时间变长而太阳能等可再生能源增加的“夏季的白天”。
68.在第一运用模式p1中，控制部122c以与电力pa的变动量对应的方式对固体氧化物型燃料电池114进行控制，并且以增加甲烷化装置118的运转负荷的方式进行控制。在该情况下，被处理气体g的供给量qs和可再生能源发电装置146的电力pa双方丰富地存在。因此，固体氧化物型燃料电池114能够满足比较大的电力需求，并且以吸收可再生能源发电装置146的电力pa的变动的方式那样进行发电。另外，通过使甲烷化装置118的运转负荷增加，对供给量增加的被处理气体中含有的二氧化碳、储存装置120中蓄积的二氧化碳进行甲烷化处理，来增产甲烷。在该情况下，储存装置120内的二氧化碳进行甲烷化处理而作为甲烷向外部供给，即使在电力pa减少的情况下，产生的二氧化碳也能够暂时储存于储存装置120，不会向外部排出。
69.第二运用模式p2是与被处理气体g的供给量qs多且可再生能源发电装置146的电力pa少的运转条件对应的运用模式。即，在第二运用模式p2中，相对于中性的运转条件(例如被处理气体g的供给量qs、可再生能源发电装置146的电力pa为年间平均值的情况)，在被处理气体g的供给量qs增加且可再生能源发电装置146的电力pa减少的情况下被选择。这样的运转条件例如相当于虽然因啤酒工厂中的啤酒生产量增加而被处理气体g的排出量增加、但因日照时间变短而太阳能等可再生能源减少的“冬季的夜晚”。
70.在第二运用模式p2中，控制部122c与电力需求对应地对固体氧化物型燃料电池114的发电量进行控制，并且以相对于氢生成装置116的氢的生成量过剩的二氧化碳储存于储存装置120的方式进行控制。在该情况下，相对于被处理气体g的供给量qs，可再生能源发电装置146的电力pa不足，因此氢生成装置116中的氢的生成量未达到为了利用甲烷化装置118对系统内的二氧化碳的全部量进行处理所需的量。因此，通过在系统内将过剩的二氧化碳(即不能完全进行甲烷化处理的二氧化碳)暂时储存于储存装置120，从而防止向外部排出。另一方面，在固体氧化物型燃料电池114中，通过在与电力需求相应的范围内进行所需最小限度的发电，从而削减包含二氧化碳的燃料气体排气，抑制在系统内过剩的二氧化碳的量。
71.另外，在第二运用模式p2中，由于基于可再生能源发电装置的发电量变少，因此通过代替可再生能源装置或者在此基础上利用剩余电力，能够在氢生成装置116中生成从储存于储存装置120的二氧化碳进行甲烷化所需的氢。这样，即使在可再生能源装置的发电量少的状况下，也能够利用剩余电力进行二氧化碳的处理，因此储存于储存装置120的二氧化碳的容量不会变得过大。即，能够抑制储存装置120被要求的二氧化碳的储存容量，因此能够使储存装置120紧凑。
72.需要说明的是，可再生能源发电装置146的电力pa恢复而氢生成装置116中的氢的生成量增加时，在第二运用模式p2中暂时储存于储存装置120的二氧化碳在甲烷化装置118中进行甲烷化处理，从而能够在不伴随二氧化碳气体向外部的排出的情况下生产甲烷。另外，回收的二氧化碳也可以作为食品用原料、肥皂、混凝土注入、干冰、锅炉中和水等工业用气体不进行大气释放而向外部取出利用。
73.第三运用模式p3是与被处理气体g的供给量qs少且可再生能源发电装置146的电力pa多的运转条件对应的运用模式。即，在第三运用模式p3中，相对于中性的运转条件(例如被处理气体g的供给量qs、可再生能源发电装置146的电力pa为年间平均值的情况)，在被处理气体g的供给量qs减少且可再生能源发电装置146的电力pa增加了的情况下被选择。这
样的运转条件例如相当于由于啤酒工厂中的啤酒生产量减少而被处理气体g的排出量减少、并且由于日照时间变长而太阳能等可再生能源增加的“春季、秋季的白天”。
74.在第三运用模式p3中，控制部122c以减少固体氧化物型燃料电池114及甲烷化装置118的运转负荷的方式进行控制。在该情况下，由于相对于被处理气体g的供给量qs存在足够多的可再生能源发电装置146的电力pa，因此在氢生成装置116中能够提供为了对系统内的二氧化碳的全部量进行甲烷化处理所需的氢。因此，被处理气体g中含有的二氧化碳、来自以较少的运转负荷运转的固体氧化物型燃料电池114的燃料气体排气所包含的二氧化碳的全部量能够在甲烷化装置118中进行甲烷化处理，不会向外部排出二氧化碳。
75.第四运用模式p4是与被处理气体g的供给量qs少且可再生能源发电装置146的电力pa少的运转条件对应的运用模式。即，在第四运用模式p4中，相对于中性的运转条件(例如被处理气体g的供给量qs、可再生能源发电装置146的电力pa为年间平均值的情况)，在被处理气体g的供给量qs减少且可再生能源发电装置146的电力pa减少的情况下被选择。这样的运转条件例如相当于由于啤酒工厂中的啤酒生产量减少而被处理气体g的排出量减少、并且由于日照时间变短而太阳能等可再生能源减少的“春季、秋季的夜晚”。
76.在第四运用模式p4中，控制部122c根据电力需求对固体氧化物型燃料电池114的发电量进行控制，并且以使相对于氢生成装置116的氢的生成量过剩的二氧化碳暂时储存于储存装置120的方式进行控制。在该情况下，在固体氧化物型燃料电池114中，根据电力需求排出燃料气体排气，但由于可再生能源发电装置146的电力pa少，因此在氢生成装置116中无法提供为了对处于系统内的二氧化碳的全部量进行甲烷化处理所需的氢，在系统内产生过剩的二氧化碳。在这样的系统内，过剩的二氧化碳被暂时储存于储存装置120，从而防止向外部的排出。
77.需要说明的是，在由于可再生能源发电装置146的电力pa恢复而氢生成装置116中的氢的生成量增加时或通过剩余电力而使氢生成装置116的生成量增加，在第四运用模式p4中储存于储存装置120的二氧化碳在甲烷化装置118中进行甲烷化处理，由此能够不伴随二氧化碳气体向外部的排出地进行甲烷化。另外，回收的二氧化碳也可以作为食品用原料、肥皂、混凝土注入、干冰、锅炉中和水等工业用气体不进行大气释放而向外部取出利用。
78.如上所说明的那样，生物气利用甲烷化系统100以基于根据被处理气体g的供给量qs及可再生能源发电装置146的电力pa规定的运用条件的运用模式进行控制。由此，即使在被处理气体g的供给量qs、可再生能源发电装置146的电力pa发生了变动的情况下，也能够进行不伴随二氧化碳气体向外部的排出的甲烷的生产、以及进行高效率、清洁且灵活的发电。
79.接着，对上述的生物气利用甲烷化系统100的另一实施方式进行说明。图3是另一实施方式的生物气利用甲烷化系统100
′
的整体结构图。生物气利用甲烷化系统100
′
与前述的生物气利用甲烷化系统100的主要结构相同，但系统内的构成要素的布局至少局部不同。在以下的说明中，对与前述的生物气利用甲烷化系统100对应的结构标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。
80.经由被处理气体供给管线102向生物气利用甲烷化系统100
′
所具备的甲烷化装置118供给被处理气体g。如上所述，被处理气体g是从啤酒工厂排出的生物气g1，含有甲烷及二氧化碳。另外，二氧化碳经由储存气体线138被导入至甲烷化装置118。这样导入至甲烷化
装置118的二氧化碳通过与从氢生成装置116经由氢供给管线140供给的氢反应而进行甲烷化处理，进行甲烷生成。
81.由甲烷化装置118生成的甲烷通过被导入甲烷精制装置142而被精制。构成为由甲烷精制装置142生成的甲烷的至少一部分能够作为化学原料向外部供给，排气能够经由生成甲烷供给管线124向固体氧化物型燃料电池114供给。在固体氧化物型燃料电池114中，作为燃料气体，导入将从固体氧化物型燃料电池114的燃料极114a排出的燃料气体排气中回收了水分及二氧化碳的至少一部分后的燃料气体排气，或者从甲烷精制装置142经由生成甲烷供给管线124导入以甲烷为主要成分的排气。另外，在固体氧化物型燃料电池114的空气极114c中，作为用于与燃料气体反应的氧化性气体，经由氧化性气体供给管线148导入来自氧化性气体供给源111的氧化性气体(空气)和在氢生成装置116中生成氢时作为副产物而生成的氧中的双方或至少一方。
82.在固体氧化物型燃料电池114中，通过使这些燃料气体及氧化性气体反应来进行发电。构成为由固体氧化物型燃料电池114产生的电力能够根据电力需求从固体氧化物型燃料电池114的输出端(用虚线图示)经由送电电路115向外部的电力系统(例如商用电力系统)供给。
83.甲烷精制装置142通过对由甲烷化装置118生成的甲烷进行精制来精制高纯度的甲烷。由甲烷精制装置142精制的甲烷能够经由甲烷排出管线144作为化学原料向外部取出。另外，精制后的剩余的排气经由生成甲烷供给管线124作为燃料气体向固体氧化物型燃料电池114的燃料极114a供给。
84.从固体氧化物型燃料电池114的燃料极114a排出的燃料气体排气经由第一燃料气体排气管线117被导入干燥机119，去除燃料气体排气所包含的水分。由干燥机119去除的水分被水分回收器121回收，一部分作为在第二燃料气体排气管线135中流动的甲烷的重整用蒸气使用，并且贮存于纯水箱130并向氢产生装置供给。
85.通过干燥机119去除水分后的燃料气体排气通过再循环气体压缩机132被导入二氧化碳回收装置134。二氧化碳回收方法包括使用了吸收剂的化学吸收法(胺吸收液等)、使用了吸附剂的物理吸收法(psa、tsa等)、膜分离法、深冷分离法等各种方式，根据处理量、燃料气体排气中的二氧化碳浓度、供给压力、温度等条件来选择适当的方法。二氧化碳回收装置134能够回收燃料气体排气中含有的二氧化碳的至少一部分，其回收量能够根据前述的运用模式而改变。由二氧化碳回收装置134回收的二氧化碳经由二氧化碳储存管线136储存于二氧化碳储存装置。被回收了至少一部分的二氧化碳后的燃料气体排气经由第二燃料气体排气管线135被导入固体氧化物型燃料电池114的燃料极114a而被再利用。
86.在具有上述结构的生物气利用甲烷化系统100
′
中同样地，系统控制部122基于根据被处理气体供给量检测部122a及可再生能源电力检测部122b的检测结果确定的运用条件，由控制部122c对生物气利用甲烷化系统100
′
的各构成要素进行控制。生物气利用甲烷化系统100
′
与前述的生物气利用甲烷化系统100(参照图1)的各构成要素的布局至少局部不同，但能够基于运用条件同样地控制参照图2前述的四个运用模式。由此，在生物气利用甲烷化系统100
′
中，即使在被处理气体g的供给量qs、可再生能源发电装置146的电力pa发生了变动的情况下，也能够进行不伴随二氧化碳气体的排出的、高效率且清洁的发电。
87.此外，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够适当地将上述的实施方式的构成要
素置换为公知的构成要素，另外，也可以适当地组合上述的实施方式。
88.上述各实施方式所记载的内容例如如以下那样进行掌握。
89.(1)一个方案的生物气利用甲烷化系统具备：
90.固体氧化物型燃料电池，其能够将含有甲烷及二氧化碳的被处理气体用作燃料气体来进行发电；
91.氢生成装置，其能够使用可再生能源发电装置的电力来生成氢；
92.甲烷化装置，其能够通过使用所述固体氧化物型燃料电池的燃料气体排气所包含的二氧化碳和由所述氢生成装置生成的所述氢进行甲烷化处理来生成甲烷，并将该甲烷作为化学原料来生产或者作为所述燃料气体向所述固体氧化物型燃料电池供给；
93.甲烷精制装置，其能够对由所述甲烷化装置生成的甲烷气体进行精制，将该甲烷的至少一部分作为化学原料向外部供给，并且能够将排气向所述固体氧化物型燃料电池供给；以及
94.储存装置，其能够基于所述被处理气体的供给量和所述可再生能源发电装置的电力中的至少一方，储存向所述甲烷化装置供给的所述二氧化碳的至少一部分。
95.根据上述(1)的方案，将含有甲烷及二氧化碳的被处理气体用作固体氧化物型燃料电池的燃料气体，回收燃料排气中的二氧化碳并与使用可再生能源发电装置的电力生成的氢气在甲烷化装置中生成甲烷，将该甲烷作为化学原料向外部提供，并且将甲烷精制装置的排气作为固体氧化物型燃料电池的燃料气体进行再使用，由此抑制二氧化碳向外部的排出。
96.另外，可再生能源发电装置的电力根据日照条件、气象条件等而变动，但由电力的变动带来的影响通过调整固体氧化物型燃料电池、氢生成装置及甲烷化装置的动作平衡而被吸收。由此，能够在不使用在成本上不利的大容量电池那样的蓄电设备的情况下应对生物气的产生量、可再生能源的电力的变动。
97.另外，在系统内的二氧化碳相对于甲烷化装置的处理能力变得过剩的情况下，能够将二氧化碳储存于储存装置。由此，在甲烷化装置的处理能力产生了富余时，能够对储存于储存装置的二氧化碳进行甲烷化处理，即使系统内的二氧化碳暂时变得过剩，通过在储存装置中缓冲地储存二氧化碳，也能够实现不向外部排出二氧化碳的清洁的生物气利用甲烷化系统。特别是，在甲烷化反应中，二氧化碳与氢相比所需的摩尔数少，因此通过选择二氧化碳作为向储存装置储存的储存对象，能够减少储存装置的容量，能够以更紧凑的结构构建上述系统。
98.(2)一个方案的生物气利用甲烷化系统具备：
99.氢生成装置，其能够使用可再生能源发电装置的电力来生成氢；
100.甲烷化装置，其通过对含有甲烷及二氧化碳气体的被处理气体和由所述氢生成装置生成的所述氢进行甲烷化处理而生成甲烷；
101.所述甲烷精制装置，其能够对由所述甲烷化装置生成的甲烷气体进行精制，将该甲烷的至少一部分作为化学原料向外部供给，并且能够将排气向固体氧化物型燃料电池供给；
102.所述固体氧化物型燃料电池，其能够使用所述甲烷精制装置的排气来进行发电；以及
103.储存装置，其能够基于所述被处理气体的供给量和所述可再生能源发电装置的电力中的至少一方，储存向所述甲烷化装置供给的所述二氧化碳的至少一部分。
104.根据上述(2)的方案，通过将被处理气体所包含的二氧化碳气体与使用可再生能源发电装置的电力生成的氢气进行甲烷化处理而生成甲烷气体，从而能够有效利用被处理气体。这样生成的甲烷气体能够作为化学原料向外部供给，或者将精制排气作为燃料气体向固体氧化物型燃料电池供给。
105.另外，可再生能源发电装置的电力根据日照条件、气象条件等而变动，但由电力的变动带来的影响通过调整固体氧化物型燃料电池、氢生成装置及甲烷化装置的动作平衡而被吸收。由此，能够在不使用在成本上不利的大容量电池那样的蓄电设备的情况下应对可再生能源的电力的变动。
106.另外，在系统内的二氧化碳相对于甲烷化装置的处理能力变得过剩的情况下，能够将二氧化碳储存于储存装置。由此，在甲烷化装置的处理能力产生了富余时，能够对储存于储存装置的二氧化碳进行甲烷化处理，即使系统内的二氧化碳暂时变得过剩，通过在储存装置中缓冲地储存二氧化碳，也能够实现不向外部排出二氧化碳的清洁的生物气利用甲烷化系统。特别是，在甲烷化反应中，二氧化碳与氢相比所需的摩尔数少，因此通过选择二氧化碳作为向储存装置储存的储存对象，能够减少储存装置的容量，能够以更紧凑的结构构建上述系统。
107.(3)在其他方案中，在上述(1)或(2)的方案的基础上，
108.所述储存装置能够储存从所述固体氧化物型燃料电池的燃料气体排气回收的二氧化碳，经由设置有流量调整阀的储存气体供给管线与所述甲烷化装置连接，并且能够将二氧化碳作为食品用原料或工业用气体向外部供给。
109.根据上述(3)的方案，储存装置经由储存气体供给管线与甲烷化装置连接。在储存气体供给管线设置有流量调整阀，通过对流量调整阀的开度进行控制，能够将储存于储存装置的二氧化碳在任意的时机向甲烷化装置供给。由此，在甲烷化装置的处理能力即氢供给能力产生了富余的时机，将储存于储存装置的二氧化碳经由储存气体供给管线向甲烷化装置供给，由此能够将在系统内暂时过剩的二氧化碳在不向外部排出的情况下转换为甲烷，并且能够将二氧化碳作为食品用原料、工业用气体进行利用。
110.(4)在其他方案中，在上述(1)至(3)中任一个方案的基础上，
111.在所述可再生能源发电装置的电力不足的情况下，能够将由所述固体氧化物型燃料电池产生的电力及剩余电力向所述氢生成装置供给。
112.根据上述(4)的方案，在由于可再生能源发电装置的电力变动而在氢生成装置中生成氢所需的电力不足的情况下，能够通过供给由固体氧化物型燃料电池产生的电力来补充，另外，在可再生能源发电装置的电力长期不足的情况下，能够通过接受原子能/水力等剩余电力来提供氢的生成所需的电力。
113.(5)在其他方案中，在上述(1)至(4)中任一个方案的基础上，
114.能够将由所述氢产生装置生成的氧作为所述固体氧化物型燃料电池的氧化性气体的一部分进行供给。
115.根据上述(5)的方案，能够将在氢产生装置中生成氢时产生的氧作为向固体氧化物型燃料电池供给的氧化性气体的一部分而有效利用。
116.(6)在其他方案中，在上述(1)至(5)中任一个方案的基础上，
117.所述生物气利用甲烷化系统还具备能够向所述被处理气体供给甲烷的甲烷供给源。
118.根据上述(6)的方案，通过利用甲烷气体供给源向被处理气体供给甲烷，来调整被处理气体中的甲烷供给量，由此能够根据电力的需要实现稳定的系统的运用。
119.(7)在其他方案中，在上述(1)至(6)中任一个方案的基础上，
120.所述固体氧化物型燃料电池能够将燃料排气和氧化性气体排气独立地排出至外部。
121.需要说明的是，在本发明中，通过利用能够独立地取出燃料气体排气和氧化性气体排气的固体氧化物型燃料电池作为燃料电池，能够实现上述系统。在该情况下，氧化性气体中的氧在固体氧化物型燃料电池的电解质中作为氧离子向燃料侧移动，因此与燃料中的甲烷、一氧化碳反应而在燃料排气中生成二氧化碳，因此原理上与通常的燃烧设备的排气相比二氧化碳的浓度变高。另一方面，在使燃料排气和氧化性气体排气在电池堆内部燃烧的、未进行密封的固体氧化物型燃料电池中，燃料气体排气被空气中的氮气稀释，因此二氧化碳浓度降低至1/10左右。
122.另外，在使用固体高分子型燃料电池(pefc：polymer electrolyte fuel cell)、磷酸型燃料电池(pafc：phosphoric acid fuel cell)那样的其他设备作为燃料电池的情况下，需要预先将甲烷重整为氢，此时从重整装置的加热用燃烧器产生二氧化碳，因此无法获得本系统的优点。另外，在使用燃气发动机等设备的情况下，需要进行氧燃烧，使用在水电解装置中产生的氧或者另行需要氧制造装置，因此无法避免系统的运用性、能量效率降低。
123.(8)在其他方案中，在上述(1)至(7)中任一个方案的基础上，
124.所述生物气利用甲烷化系统还具备系统控制部，该系统控制部用于基于所述被处理气体的供给量和所述可再生能源发电装置的电力中的至少一方来对所述固体氧化物型燃料电池、所述氢生成装置、所述甲烷化装置及所述储存装置中的至少一部分进行控制。
125.根据上述(8)的方案，前述的生物气利用甲烷化系统的各结构基于被处理气体的供给量和可再生能源发电装置的电力中的至少一方来控制。由此，即使在被处理气体的供给量、可再生能源的电力发生了变动的情况下，通过调整各自的动作平衡，也能够实现抑制了二氧化碳的排出的清洁的生物气利用甲烷化系统。
126.(9)在其他方案中，在上述(8)的方案的基础上，
127.所述系统控制部在所述被处理气体的供给量增加且所述可再生能源发电装置的电力增加了的情况下，与所述电力的变动量对应地对所述固体氧化物型燃料电池进行控制，并且以增加所述甲烷化装置的运转负荷的方式进行控制。
128.根据上述(9)的方案，在被处理气体的供给量和可再生能源发电装置的电力双方丰富地存在的情况下，固体氧化物型燃料电池以提供比较大的电力需求并且吸收可再生能源发电装置的电力的变动的方式进行发电。另外，通过使甲烷化装置的运转负荷增加，能够通过对供给量增加的被处理气体中含有的二氧化碳、固体氧化物型燃料电池的燃料气体排气中含有的二氧化碳的全部量进行甲烷化处理来防止二氧化碳向外部的排出，并且通过增产甲烷并将其作为化学原料供给，从而能够提高系统运用的经济优点。
129.(10)在其他方案中，在上述(8)或(9)的方案的基础上，
130.所述系统控制部在所述被处理气体的供给量增加且所述可再生能源发电装置的电力减少了的情况下，与电力需求对应地对所述固体氧化物型燃料电池的发电量进行控制，并且以相对于所述氢生成装置的所述氢的生成量储存过剩的二氧化碳的方式对所述储存装置进行控制，并且利用剩余电力以使得储存装置的二氧化碳的储存量不成为允许容量以上。
131.根据上述(10)的方案，在可再生能源发电装置的电力相对于被处理气体的供给量不足的情况下，氢生成装置中的氢的生成量未达到为了利用甲烷化装置对系统内的二氧化碳的全部量进行处理所需的量。因此，通过将在系统内过剩的二氧化碳(即不能完全进行甲烷化处理的二氧化碳)暂时储存于储存装置，从而防止其向外部的排出。另一方面，在固体氧化物型燃料电池中，通过在与电力需求相应的范围内进行所需最小限度的发电，能够削减包含二氧化碳的燃料气体排气，抑制在系统内过剩的二氧化碳的量。在由于可再生能源发电装置的电力恢复而氢生成装置中的氢的生成量增加时，储存于储存装置的二氧化碳通过在甲烷化装置中进行甲烷化处理，能够在不伴随二氧化碳气体向外部的排出的情况下进行消耗。另外，在可再生能源发电装置的电力长期不足的情况下，通过从外部接受剩余电力，能够提供氢的生成所需的电力。这样，通过将二氧化碳用作电力供给的缓冲，能够具有可再生能源及剩余电力与电力需求的不平衡的调整功能。另外，可再生能源的电力量pa相对于被处理气体g的供给量qs大幅减少，在无法将二氧化碳储存于系统内的情况下，也可以将其作为食品用原料、工业用气体不进行大气释放而向外部取出利用。
132.(11)在其他方案中，在上述(8)至(10)中任一个方案的基础上，
133.所述系统控制部在所述被处理气体的供给量减少且所述可再生能源发电装置的电力增加了的情况下，以使运转负荷减少的方式对所述固体氧化物型燃料电池及所述甲烷化装置进行控制。
134.根据上述(11)的方案，在相对于被处理气体的供给量存在足够多的可再生能源发电装置的电力的情况下，在氢生成装置中能够提供为了对系统内的二氧化碳的全部量进行甲烷化处理所需的氢。因此，被处理气体中含有的二氧化碳、来自以较少的运转负荷运转的固体氧化物型燃料电池的燃料气体排气所包含的二氧化碳的全部量能够在甲烷化装置中进行甲烷化处理，不会向外部排出二氧化碳。
135.(12)在其他方案中，在上述(8)至(11)中任一个方案的基础上，
136.所述系统控制部在所述被处理气体的供给量减少且所述可再生能源发电装置的电力减少了的情况下，从甲烷气体供给源向所述被处理气体供给甲烷，根据电力需求对所述固体氧化物型燃料电池的发电量进行控制，并且以相对于所述氢生成装置的所述氢的生成量储存过剩的二氧化碳的方式对所述储存装置进行控制。
137.根据上述(12)的方案，在固体氧化物型燃料电池中，通过根据电力需求进行发电而排出燃料气体排气，但由于可再生能源发电装置的电力少，因此在氢生成装置中无法提供为了对处于系统内的二氧化碳的全部量进行甲烷化处理所需的氢，在系统内产生过剩的二氧化碳。在这样的系统内，过剩的二氧化碳被储存于储存装置，由此防止向外部的排出。在由于可再生能源发电装置的电力恢复而氢生成装置中的氢的生成量增加时，储存于储存装置的二氧化碳在甲烷化装置中进行甲烷化处理，从而能够在不伴随二氧化碳气体向外部
的排出的情况下进行消耗。另外，可再生能源的电力量pa相对于被处理气体g的供给量qs大幅减少，在无法将二氧化碳储存于系统内的情况下，也可以将其作为食品用原料、工业用气体不进行大气释放而向外部取出利用。
138.(13)在其他方案中，在上述(1)至(12)中任一个方案的基础上，
139.所述被处理气体是从啤酒工厂排出的生物气。
140.根据上述(13)的方案，作为被处理气体，使用从啤酒工厂排出的生物气。在啤酒工厂中，啤酒生产量根据季节而大幅变动，因此生物气的排出量也随之大幅变动，但通过调整上述系统的各结构的动作平衡，能够实现缓冲地吸收被处理气体的供给量的变动并且不伴随二氧化碳的排出的清洁的发电系统。
141.(14)在其他方案中，在上述(1)至(12)中任一个方案的基础上，
142.所述被处理气体是在储存液化天然气的箱内产生的蒸发气体。
143.根据上述(14)的方案，作为被处理气体，使用处于储存液化天然气的箱内的蒸发气体。蒸发气体根据箱被放置的环境、液化天然气的余量而产生量大幅变动，但通过调整上述系统的各结构的动作平衡，能够实现缓冲地吸收被处理气体的供给量的变动并且抑制了二氧化碳的排出的清洁的发电系统。
144.附图标记说明：
145.100...生物气利用甲烷化系统；
146.102...被处理气体供给管线；
147.104...生物气供给源；
148.106...前处理装置；
149.108...生物气供给管线；
150.110...城市煤气供给管线；
151.112...城市煤气供给源；
152.113...城市煤气流量调整阀；
153.114...固体氧化物型燃料电池；
154.115...送电电路；
155.116...氢生成装置；
156.117...第一燃料气体排气管线；
157.118...甲烷化装置；
158.119...干燥机；
159.120...储存装置；
160.121...水分回收器；
161.122...系统控制部；
162.122a...被处理气体供给量检测部；
163.122b...可再生能源电力检测部；
164.122c...控制部；
165.124...生成甲烷供给管线；
166.130...纯水箱；
167.132...再循环气体压缩机；
168.134...二氧化碳回收装置；
169.135...第二燃料气体排气管线；
170.136...二氧化碳储存管线；
171.138...储存气体供给管线；
172.139...储存气体供给量调整阀；
173.140...氢供给管线；
174.142...甲烷精制装置；
175.144...甲烷排出管线；
176.145...纯水供给管线；
177.146...可再生能源发电装置；
178.147...纯水供给量调整阀；
179.148...氧化性气体供给管线；
180.150...供给量传感器；
181.152...电力传感器。