DE60116602T2 - Brennstoffzellen-energiegewinnungsverfahren und -system - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technologie zur Wiedergewinnung chemischer Energie aus organischer Materie in der Form eines Wasserstoffgases und einer Technologie zur Umwandlung von Wasserstoffgas in elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad, und insbesondere ein System zur Herstellung eines Wasserstoffgases oder eines Wasserstoff enthaltenden Gases durch Methanfermentierung organischer Abfälle wie zum Beispiel hoch konzentriertem organischem Abwasser oder organischem Schlick, um ein Faulgas herzustellen und dann das so hergestellte Faulgas zu verarbeiten, und ein elektrisches Generatorsystem zum Erzeugen von Elektrizität durch Zuführen des hergestellten Wasserstoffgases oder des Wasserstoff enthaltenden Gases zu einer Brennstoffzelle. Die organischen Abfälle schließen Abwasser, dass bei der Nahrungsmittelherstellung freigesetzt wird, Abfälle von Bauernhöfen mit lebendem Viehbestand und überschüssigen Schlamm, der in Abwasserbehandlungsanlagen hergestellt wird, oder ähnliches mit ein.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Methanfermentierungsgas anwendbar, das in Mülldeponien oder ähnlichem hergestellt wird.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren konnte ein wachsender Trend zum Umweltschutz verzeichnet werden, so dass der Versuch gemacht wurde, ein Faulgas oder ein Biogas, das bei der Methanfermentierung oder ähnlichem von organischen Abfällen gewonnen wird, in ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu reformieren, welches dann zur Erzeugung von Elektrizität in einer Brennstoffzelle verwendet wird. Gewöhnlicherweise wird zum Beispiel ein Faulgas vorbehandelt, um Wasserstoffsulfid und Kohlendioxid daraus zu entfernen und um dadurch die Konzentration von Methan in dem Gas anzureichern, und das Gas mit einer höheren Methan-Konzentration wird dann reformiert, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas herzustellen, das einen Wasserstoffgehalt von 70 bis 80% besitzt. Das hergestellte Wasserstoff enthaltende Gas wird dann als ein Brennstoffgas an die Anode einer Brennstoffzelle zugeführt, während Luft als ein oxidierendes Gas der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, wodurch Elektrizität erzeugt wird.
  • Im Allgemeinen wird ein bei der Methanfermentierung von Schlamm bei einer Abwasserbehandlungsanlage hergestelltes Faulgas durch ein Nassabsorptionsverfahren vorbehandelt, bei dem Wasserstoffsulfid und Kohlendioxid von einer großen Menge Aufbereitungswassers aus der Abwasserbehandlungsanlage absorbiert und getrennt werden. Weil eine große Menge an Aufbereitungswasser nicht vorhanden ist, wird für ein Faulgas, das bei der Methanfermentierung von anderer organischer Materie als dem Schlamm in der Abwasserbehandlungsanlage hergestellt wird, Wasserstoffsulfid durch ein Trockenabsorptionsverfahren mit festen Sorptionsmitteln wie zum Beispiel Eisenoxid und Kohlendioxid, durch eine Membrantrennung oder durch Druckwechseladsorption (pressure swing adsorption, PSA) entfernt.
  • Ferner wurde bei der Vorbehandlung des Faulgases auch der Versuch gemacht, nur eine Entschwefelung ohne die Trennung von Kohlendioxid durchzuführen, d.h. ohne die Anreicherung von Methan.
  • Das Verfahren der Nassabsorption mit einer großen Menge an Aufbereitungswasser hat den Vorteil, dass keine Chemikalien benötigt werden. Jedoch ist die Absorptionskapazität des Aufbereitungswassers für Kohlendioxid so klein, dass das Ausmaß der Absorptionsvorrichtung sehr groß sein muss. Darüber hinaus werden der in dem Aufbereitungswasser gelöste Sauerstoff und der gelöste Stickstoff nach der Behandlung in das Gas übertagen, und daher erreichen der nach der Behandlung im Gas enthaltene Sauerstoff und der enthaltene Stickstoff bis zu einige Prozent, wodurch sie den Grad der Anreicherung des Methans begrenzen und den nachfolgenden Wasserstoff herstellungsschritt und den Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt ungünstig beeinflussen.
  • Andererseits ist bei der PSA oder der Membrantrennung Leistung zur Erhöhung oder Erniedrigung des Gasdruckes notwendig, und zusätzlich dazu ist die Wiedergewinnungsrate von Methan niedrig, was unvorteilhafterweise zu einem verringerten Energiewirkungsgrad des Systems führt. Was die Trockenadsorption von Wasserstoffsulfid angeht, bewirkt eine hohe Adsorptionsbelastung von Wasserstoffsulfid eine Erhöhung der Betriebskosten, obwohl die Vorrichtung vereinfacht werden kann.
  • Weiter ist in dem Fall, in welchem die Vorverarbeitung nicht die Trennung von Kohlendioxid mit sich bringt, die zum Blasen und unter Druck setzen des Faulgases für den nachfolgenden Schritt des Reformierens notwendige Leistung erhöht. Zusätzlich dazu ist die Konzentration von Wasserstoff in dem reformierten Gas oder dem Wasserstoff enthaltenden Gas beträchtlich niedrig, und dies wirft das Problem auf, dass die Energiewirkungsgrade des Reformierungsschrittes und des Brennstoffzellenleistungserzeugungsschrittes nachteilig verringert werden.
  • Darüber hinaus ändert sich die Methankonzentration im Faulgas von für die Herstellung von Methan verwendetem Fermentierungstank zu Fermentierungstank. Sogar in demselben Fermentierungstank ändert sich die Methankonzentration mit den Jahreszeiten oder einer Fluktuation der Fermentierungsbedingungen oder ähnlichem, und der Unterschied zwischen der minimalen Konzentration und der maximalen Konzentration kann bis zu 10% erreichen. Eine Fluktuation der Methankonzentration, d.h. dem Heizwert des dem Reformierungsschritt zugeführten Gases, destabilisiert nicht nur den Betrieb des Wasserstoffherstellungsschrittes und damit den Betrieb des Brennstoffzellenleistungserzeugungsschrittes, sondern schwächt auch beträchtlich den Energiewirkungsgrad des gesamten Systems. Daher ist es wichtig, die Methankonzentration in dem Speisegas so weit wie möglich auf einem konstanten Wert zu halten. Bei der oben erwähnten konventionellen Technik ist es jedoch schwierig oder unmöglich diesem Erfordernis gerecht zu werden.
  • Die JP 09 029295 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verwenden von Fermentierungsgas als Gasvorrat für eine Brennstoffzelle. Das Fermentierungsgas wird derart behandelt, dass es in Gegenstromkontakt mit einer alkalischen Flüssigkeit gebracht wird, um die Konzentration von Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid zu reduzieren.
  • Die JP 07 118669 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verwenden von Fermentierungsgas als Gasvorrat für eine Brennstoffzelle. Das Fermentierungsgas wird in verschiedenen Schritten behandelt, bevor es in den Brennstoffzellenstapel eintritt. Die erste Behandlung ist ein Entschwefelungsprozess, um das Gas von Spurenelementen zu reinigen. Der zweite Schritt ist ein Hydrierungsprozess, um Methan durch Hinzufügen eines Wasserstoff enthaltenden Gases zu synthetisieren. Diesem Schritt folgt ein Dampfreformierungsprozess, um Wasserstoff herzustellen. Der letzte Schritt ist ein Kohlenstoffdioxidreinigungsschritt, bevor das Gas als Brennstoff verwendet wird.
  • NAUMANN S T ET AL: "Fuel processing of biogas for small fuel cell power plants", JOURNAL OF POWER SOURCES, CH, ELSEVIER SEQUOIA S.A. LAUSANNE, Band 56, Nr. 1, 1. Juli 1995, Seiten 45–49, XP004044365 ISSN: 0378–7753 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verwenden von Fermentierungsgas als Brennstoffvorrat für eine Brennstoffzelle. Das Fermentierungsgas wird in verschiedenen Reinigungs- und Reformierungsschritten behandelt. Die erste Behandlung ist ein Trockenentschwefelungsprozess auf einem Zinkoxidbett bei 400°C gefolgt von einem Dampfreformierungsprozess, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid herzustellen, das später entfernt werden muss. Das Kohlenmonoxid ist im Reformierungsschritt bereits teilweise oxidiert. Das verbleibende Kohlenmonoxid wird in zwei Shift-Reaktionen, die verschiedene Temperaturen und Katalysatoren verwenden, behandelt.
  • Die JP 07 000996 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verwenden von Fermentierungsgas als Brennstoffvorrat für eine Brennstoffzelle. Das Fermentierungsgas wird behandelt, indem es in Gegenstromkontakt mit einer alkalischen Flüssigkeit gebracht wird, um die Konzentration von Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid zu reduzieren und um die Methankonzentration anzureichern.
  • STANIFORTH J ET AL: „Cannock landfill gas powering a small tubular solid oxide fuel cell – a case study", JOURNAL OF POWER SOURCES, CH, ELSEVIER SEQUOIA S.A. LAUSANNE, Band 86, Nr. 1–2, März 2000, Seiten 401–403, XP004194150, ISSN: 0378-7753-& DATABASE INSPEC [Online] THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, STEVENAGE, GB; Inspec No. Database accession no. 6607541, STANIFORTH J ET AL: "Cannock landfill gas powering a small tubular oxide fuel cell – a case study" XP002169634 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verwenden von Fermentierungsgas als Brennstoffvorrat für eine Brennstoffzelle. Das Fermentierungsgas wird behandelt, indem es in Gegenstromkontakt mit einer alkalischen Flüssigkeit gebracht wird, um die Konzentration von Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid zu reduzieren und um die Methankonzentration anzureichern. Eine bessere Betriebsweise der Zelle wurde durch Mischen von Luft zum Faulgas erreicht, um die Methanoxidationsreaktion zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu vervollständigen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der Probleme des Stands der Technik entstanden und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, das eine reduzierte Umweltbelastung aufweist, wobei ein zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einer Protonaustauschmembranbrennstoffzelle, geeignetes Wasserstoff enthaltendes Gas aus einem Faulgas, das bei der Methanfermentierung organischer Materie gewon nen wird, hergestellt und dann der Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität zugeführt wird.
  • Um das obengenannte Ziel zu erreichen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellenleistungserzeugungsverfahren vorgesehen, das Methanfermentierung organischer Materie verwendet, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: einen Methanfermentierungsschritt, bei dem organische Materie der Methanfermentierung ausgesetzt wird, um ein anaerobes Faulgas zu gewinnen; einen Vorbehandlungsschritt, bei dem das im Methanfermentierungsschritt gewonnene Faulgas vorbehandelt wird; einen Wasserstoffherstellungsschritt, bei dem ein Wasserstoff enthaltendes Gas aus dem im Vorbehandlungsschritt vorbehandelten Gas hergestellt wird; und einen Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt, bei dem das im Wasserstoffherstellungsschritt hergestellte Wasserstoff enthaltende Gas einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität zugeführt wird; wobei der Vorbehandlungsschritt einen alkalischen Absorptionsschritt umfasst, bei dem Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid, die in dem Faulgas enthalten sind, mit einer alkalischen Absorptionslösung absorbiert werden, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid von dem Faulgas zu trennen.
  • Genauer wird in dem alkalischen Absorptionsschritt das Faulgas in Gegenstromkontakt mit der alkalischen Absorptionslösung gebracht, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid zur Anreicherung der Methankonzentration in die alkalische Absorptionslösung zu übertragen; und das Brennstoffzellenleistungserzeugungsverfahren umfasst weiter: einen Wärmeaustauschschritt, um die alkalische Absorptionslösung, die das Kohlendioxid oder das Kohlendioxid und das Wasserstoffsulfid in dem alkalischen Absorptionsschritt absorbiert hat, mit Abwärme, die in dem Wasserstoffherstellungsschritt und/oder dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt erzeugt wird, zu erwärmen; und einen Wiederaufbereitungsschritt, bei dem die alkalische Absorptionslösung durch Bringen der im Wärmeaustauschschritt erwärmten alkalischen Absorptionslösung in Gegenstromkontakt mit einem Kathodenabzugsgas wiederaufbereitet wird, das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt freigesetzt wird, oder einem Verbrennungsabgas, das im Wasserstoffherstellungsschritt freigesetzt wird, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid aus der alkalischen Absorptionslösung zu ziehen. Nach dem Absorptionsvorgang kann das Gas in Gegenstromkontakt mit Wasser gebracht werden, um in das Gas übertragene Tropfen der Absorptionslösung auszuwaschen. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellenleistungserzeugungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weiter einen Entschwefelungsschritt umfassen, bei dem das im Methanfermentierungsschritt gewonnene Faulgas in Gegenstromkontakt mit einer Entschwefelungslösung gebracht wird, die eine alkalische Chemikalie und ein wasserlösliches Oxidationsmittel enthält, um Wasserstoffsulfid zu absorbieren und oxidierend zu zerlegen, und dann dem alkalischen Absorptionsschritt zugeführt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Methankonzentration in dem Gas nach dem Absorptionsvorgang durch Ändern der Flussrate und/oder der Temperatur der Absorptionslösung in dem alkalischen Absorptionsschritt auf einen konstanten Wert geregelt werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung umfasst der Wasserstoffherstellungsschritt einen Reformierungsschritt und einen Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsschritt. Ein selektiver Kohlenmonoxidoxidationsschritt kann nach dem Reformierungsschritt und dem Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsschritt zusätzlich vorgesehen werden. Eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle oder eine Phosphorsäurebrennstoffzelle sind für die in dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt verwendete Brennstoffzelle geeignet.
  • Das bei der Methanfermentierung organischer Materie gewonnene Faulgas ändert sich mit der Art der organischen Materie und den Methanfermentierungsbedingungen. Im Allgemeinen umfasst das Faulgas jedoch 60 bis 70% Methan als eine Hauptkomponente, 30 bis 40% Kohlendioxid, 0 bis 2% Wasserstoff und 0 bis 2% Stickstoff, und es enthält weiter einige zig bis einige hundert ppm Wasserstoffsulfid und Wasserstoffchlorid als kleinere Komponenten.
  • Als ein rohes Gas, das dem Wasserstoffherstellungsschritt zugeführt wird, werden jedoch eine niedrige Wasserstoffsulfidkonzentration, eine niedrige Sauerstoffkonzentration und eine niedrige Stickstoffkonzentration und eine Methankonzentration gefordert, die konstant und so hoch wie möglich ist.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer alkalischen Absorptionslösung, die ein hohes Absorptionsvermögen bei der Absorption von Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid hat, wie zum Beispiel eine Absorptionslösung aus Aminen, eine kompakte Absorptionsvorrichtung liefern. Die Verwendung der alkalischen Absorptionslösung kann eine Methanwiedergewinnung von fast 100% realisieren und kann das Vermischen von Stickstoffgas, Sauerstoffgas oder ähnlichem mit dem Methangas vermeiden. Deshalb kann die Methankonzentration in dem Gas nach der Absorption beständig auf 95% oder mehr erhöht werden.
  • Als ein Gas für die Wiederaufbereitung der alkalischen Absorptionslösung macht es die Verwendung eines Kathodenabzugsgases, das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt freigesetzt wird, oder eines Verbrennungsabgases, das im Wasserstoffherstellungsschritt freigesetzt wird, möglich, die im Verbrennungsabgas aus dem Wasserstoffherstellungsschritt enthaltene Abwärme und/oder einen Teil der Abwärme mit einem schwachen Wert aus dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt zur Erwärmung der Absorptionslösung für deren Wiederaufbereitung zu verwenden. Daher kann die alkalische Absorptionslösung durch geeignetes Setzen der Absorptionsbedingungen und der Wiederaufbereitungsbedingungen wiederaufbereitet werden.
  • Ein beim Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt freigesetztes Anodenabzugsgas wird als ein Brennstoff zum Aufrechterhalten der Reformierungstemperatur und Zuführen der Reformierungswärme im Reformierungsschritt innerhalb des Wasserstoffherstellungsschrittes verwendet. Hier gibt es nun zwei Fälle, einen ersten Fall, bei dem Luft als ein die Verbrennung unterstützendes Gas verwendet wird, und einen weiteren Fall, bei dem im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt freigesetztes Kathodenabzugsgas als das die Verbrennung unterstützende Gas verwendet wird. Weil das im Wasserstoffherstellungsschritt freigesetzte Verbrennungsabgas eine Kohlendioxidkonzentration von nicht mehr als 6% hat, kann dieses Verbrennungsabgas durch genaues Setzen der Bedingungen für die Wiederaufbereitung der alkalischen Absorptionslösung in einem Wiederaufbereiter im Absorptionsschritt als ein Wiederaufbereitungsgas verwendet werden, wenn das Kathodenabzugsgas als das die Verbrennung unterstützende Gas verwendet wird. Wenn insbesondere das Kathodenabzugsgas gemäß der vorliegenden Erfindung als das die Verbrennung unterstützende Gas verwendet wird, wird das Verbrennungsabgas als das Wiederaufbereitungsgas verwendet, während wenn Luft als das die Verbrennung unterstützende Gas verwendet wird, für die Zeit der Wiederaufbereitung das Verbrennungsabgas als eine Wärmequelle für die alkalische Absorptionslösung ohne die Verwendung des Verbrennungsabgases als dem Wiederaufbereitungsgas eingesetzt wird. In diesem Fall wird das Kathodenabzugsgas als das Wiederaufbereitungsgas verwendet. Darüber hinaus kann Luft zusätzlich als das Wiederaufbereitungsgas verwendet werden.
  • Aufgrund der Massenbilanz des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Kohlendioxidkonzentration im Abgas der Wiederaufbereitung, das vom Wiederaufbereiter freigesetzt wird, nicht mehr als 10%, wenn das Verbrennungsabgas als das Wiederaufbereitungsgas verwendet wird, und sie beträgt nicht mehr als 5%, wenn das Kathodenabzugsgas als das Wiederaufbereitungsgas verwendet wird. Weiter beträgt aufgrund der Wärmebilanz des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung die für die Wiederaufbereitung der alkalischen Absorptionslösung notwendige Wärme nicht mehr als 50% der Stapelabwärme, die im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt freigesetzt wird.
  • Die Absorptionsbedingungen und die Wiederaufbereitungsbedingungen im alkalischen Absorptionsschritt werden so gesetzt, dass die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung im Wiederaufbereitungsschritt um 10°C oder weniger, vorzugsweise 2°C oder weniger niedriger ist als die Temperatur des Abflusses von Stapelkühlwasser vom Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt, während die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Absorption im alkalischen Absorptionsschritt um den Bereich von 10°C bis 35°C niedriger ist als die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung und um vorzugsweise 2°C oder mehr höher ist als die Temperatur einer Methanfermentierungsflüssigkeit im Methanfermentierungsschritt. Die Temperatur des Abflusses von Stapelkühlwasser ändert sich mit dem verwendeten Typ der Brennstoffzelle. Diese Temperatur des Abflusses von Stapelkühlwasser befindet sich jedoch im Allgemeinen im Bereich zwischen 60 bis 80°C. Während sich im Fall einer Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle, bei der eine Membran vom Hochtemperaturtyp verwendet wird, die eine Wärmewiderstandstemperatur von 100 bis 130°C hat, die Temperatur des Abflusses von Stapelkühlwasser im Bereich von 100 bis 120°C befindet.
  • Somit werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung und die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Absorption geeignet gesetzt, und dann wird die alkalische Absorptionslösung vom Wiederaufbereitungsschritt zum Methanfermentierungsschritt gebracht, um Wärmeaustausch mit einer Methanfermentierungsflüssigkeit auszuführen, um dadurch die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Absorption auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen, gefolgt vom Zuführen der alkalischen Absorptionslösung zum Absorptionsschritt. Aufgrund dieser Konstitution kann die Methanfermentierungsflüssigkeit als ein Kühlmittel für die alkalische Absorptionslösung verwendet werden, und zusätzlich dazu kann die im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt erzeugte Abwärme in einer kaskadierenden Form als eine Wärmequelle für die Wiederaufbereitung der alkalischen Absorptionslösung und als eine Wärmequelle zum Erwärmen der Methanfermentie rungsflüssigkeit und zum Aufrechterhalten der Temperatur der Methanfermentierungsflüssigkeit verwendet werden. Von der Methanfermentierungsflüssigkeit gibt es eine große Menge und sie ist stabil in der Temperatur, und daher ist sie als ein Kühlmittel zum Einstellen der Temperatur der alkalischen Absorptionslösung von der Temperatur nach der Wiederaufbereitung auf eine vorbestimmte Temperatur vor der Absorption sehr geeignet. Daher ist es im Vorbehandlungsschritt gemäß der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, einen Kühlturm oder einen Luftkühler vorzusehen.
  • Somit kann der alkalische Absorptionsschritt gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl unter Bedingungen der Massenbilanz als auch der Wärmebilanz realisiert werden. Daher kann die vorliegende Erfindung den Energiewirkungsgrad des Systems erhöhen.
  • Weiter kann die Verwendung des alkalischen Absorptionsschrittes oder des Entschwefelungsschrittes gemäß der vorliegenden Erfindung zum Entfernen von Wasserstoffsulfid die Betriebskosten sogar in dem Fall hoher Wasserstoffsulfidkonzentration reduzieren.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann jedes der folgenden Verfahren eingesetzt werden: ein Verfahren, bei dem ein Entschwefelungsschritt für Wasserstoffsulfid vorgesehen ist und das Faulgas in Gegenstromkontakt mit einer Wasserstoffsulfidabsorptionslösung gebracht wird, die eine alkalische Chemikalie und ein wasserlösliches Oxidationsmittel in einem Entschwefeler enthält, um Wasserstoffsulfid zu absorbieren und zu zerlegen; und ein Verfahren, bei dem der Entschwefelungsschritt nicht vorgesehen ist und Wasserstoffsulfid zusammen mit Kohlendioxid in einem alkalischen Absorptionsschritt absorbiert und getrennt wird. Wenn die Wasserstoffsulfidkonzentration relativ niedrig ist, kann natürlich das Verfahren der Trockenadsorption unter Verwendung von Eisenoxid oder ähnlichem verwendet werden.
  • Bei der Entschwefelung des Faulgases ist es konventionellerweise allgemeine Praxis, eine Kombination aus einer ersten Trockenadsorptionsentschwe felung nach dem Fermentierungsschritt und einer tiefen Trockenadsorptionsentschwefelung vor dem Wasserstoffherstellungsschritt zu verwenden. Deshalb ist dieses konventionelle Verfahren dahingehend nachteilig, dass insbesondere dann, wenn die Wasserstoffsulfidbelastung groß ist, das Adsorbtionsmittel oft ersetzt werden muss, was beschwerlich ist und hohe Betriebskosten bedingt. Im Gegensatz dazu ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, in einem einzigen Schritt (d. h. dem alkalischen Absorptionsschritt) die Entschwefelung des Faulgases, die Trennung von Kohlendioxid von dem Faulgas, d. h. Methananreicherung, und die Stabilisierung der Methankonzentration in dem vorbehandelten Gas auszuführen. Dies kann einen vereinfachten Prozess mit niedrigen Betriebskosten realisieren.
  • Wenn das Verfahren eingesetzt wird, in dem Wasserstoffsulfid absorbiert und in dem alkalischen Absorptionsschritt entfernt wird, wird das absorbierte Wasserstoffsulfid in einer frühen Phase des Vorgangs in der Absorptionslösung angehäuft. Nachdem jedoch die Konzentration an Wasserstoffsulfid in der Absorptionslösung einen gewissen Wert erreicht, wird das Wasserstoffsulfid zusammen mit Kohlendioxid im alkalischen Absorptionslösungswiederaufbereitungsschritt abgezogen und zum Abgas der Wiederaufbereitung übertragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere dann, wenn die Konzentration an Wasserstoffsulfid im Faulgas hoch ist, d. h. wenn die Belastung an Wasserstoffsulfid hoch ist, ein biologischer Entschwefelungsschritt, der durch geringe Betriebskosten gekennzeichnet ist, als das Entschwefelungsmittel vorgesehen werden, um im Abgas der Wiederaufbereitung enthaltenes Wasserstoffsulfid biologisch zu zerlegen.
  • Weil gemäß der biologischen Zerlegung von Wasserstoffsulfid Wasserstoffsulfid durch Mikroorganismen zu Schwefel oder Schwefelsäure oxidiert wird, ist die Zufuhr von Sauerstoff notwendig. Konventionellerweise kann die biologische Entschwefelung nicht als das Verfahren für die Entschwefelung von Faulgas eingesetzt werden, weil die Einführung von Luft oder Sauerstoff in das Faulgas den nachfolgenden Wasserstoffherstellungsschritt nachteilig beeinflusst. Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben im Faulgas enthaltenes Wasserstoffsulfid einmal vom Faulgas zum Abgas der Wiederaufbereitung übertragen, und dadurch wird der Einsatz der biologischen Entschwefelung möglich. Darüber hinaus ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung der biologischen Entschwefelung in hohem Maße geeignet, weil als das Wiederaufbereitungsgas für die alkalische Absorptionslösung ein Sauerstoff enthaltendes Verbrennungsabgas, das im Wasserstoffherstellungsschritt freigesetzt wird, oder ein Sauerstoff enthaltendes Kathodenabzugsgas, das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt freigesetzt wird, verwendet wird.
  • Andererseits kommt die Absorptionslösung bei der Wiederaufbereitung der alkalischen Absorptionslösung mit dem Wiederaufbereitungsgas in Kontakt, und in diesem Fall steht zu befürchten, dass ein Absorptionsmittel auf Aminbasis mit im Wiederaufbereitungsgas enthaltenem Sauerstoff reagiert und so durch die Oxidation verschlechtert wird. Weil jedoch die Reaktivität von Wasserstoffsulfid mit Sauerstoff höher ist als diejenige des Absorptionsmittels auf Aminbasis mit Sauerstoff, kann in der Absorptionslösung enthaltenes Wasserstoffsulfid als ein Antioxidant des Absorptionsmittels auf Aminbasis dienen. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung die genaue Einstellung der Wasserstoffsulfidbelastung im alkalischen Absorptionsschritt eine vollständige Entschwefelung des Gases nach der Absorption sicher stellen und sie kann zur selben Zeit die Verschlechterung bzw. Reduktion des Absorptionsmittels auf Aminbasis durch Oxidation unterdrücken.
  • Wenn Kohlendioxid und/oder Wasserstoffsulfid durch ein Absorptionsverfahren, wie dem Wiederaufbereitungsgas für die Absorptionslösung, absorbiert und getrennt werden, ist es allgemeine Praxis, Dampf zu verwenden, oder ansonsten Luft, wenn Dampf nicht zur Verfügung steht. Dagegen wird bei der vorliegenden Erfindung das Verbrennungsabgas vom Wasserstoffherstellungsschritt oder das Kathodenabzugsgas vom Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt als das Wiederaufbereitungsgas verwendet, was auf den folgenden Betrachtungen gegründet ist. Obwohl insbesondere die Verwendung von Dampf die Wiederaufbereitung der alkalischen Absorptionslösung erleichtert, ist es zur Erzeugung von Dampf notwendig, eine Wärmequelle für hohe Temperaturen von 100°C oder darüber vorzusehen. Weiter ist Luft als das Wiederaufbereitungsgas zwar deswegen vorteilhaft, weil Kohlendioxid nicht nennenswert enthalten ist, jedoch ist Luft deswegen nachteilig, weil die Temperatur und die absolute Feuchtigkeit so niedrig sind, dass die Absorptionslösung, die wiederaufbereitet wird und deren Temperatur grundsätzlich hoch gehalten werden sollte, aufgrund der Verdampfung des Dampfes gekühlt wird, und weil der hohe Partialdruck von Sauerstoff potentiell die oxidierende Verschlechterung des Absorptionsmittels auf Aminbasis verstärkt. Im Gegensatz dazu haben gemäß der vorliegenden Erfindung das Verbrennungsabgas vom Wasserstoffherstellungsschritt und das Kathodenabzugsgas vom Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt, die unter geeignet gesetzten Bedingungen der Absorption und der Wiederaufbereitung verwendet werden, höhere Temperatur und absolute Feuchtigkeit, d. h. eine höhere Enthalpie und einen niedrigeren Patialdruck von Sauerstoff im Vergleich mit Luft, und sie sind daher als das Wiederaufbereitungsgas sehr vorteilhaft, so dass die Verwendung dieser Gase die Notwendigkeit einer Wärmequelle für hohe Temperaturen überflüssig macht.
  • Daher kann die vorliegende Erfindung den Energiewirkungsgrad des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems erhöhen und die Rentabilität verbessern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Blockdiagramm des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäß der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Blockdiagramm des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß einem Beispiel der in 1 gezeigten ersten Ausführung zeigt;
  • 5 ist ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß einem Beispiel der in 2 gezeigten zweiten Ausführung zeigt;
  • 6 ist ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß einem Beispiel der in 3 gezeigten dritten Ausführung zeigt;
  • 7 ist ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß dem zweiten Beispiel der in 2 gezeigten zweiten Ausführung zeigt; und
  • 8 ist ein Blockdiagramm des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäß der vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • Beste Ausführungsform der Erfindung
  • Es wird ein Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches das Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß der ersten Ausführung zeigt.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wird bei dieser Ausführung in einem Methanfermentierungsschritt A organische Materie fermentiert. Ein anaerobes Faulgas b, das im Methanfermentierungsschritt A hergestellt wird, wird in einem Vorbehandlungsschritt B vorbehandelt, und das vorbehandelte Gas wird in einem Wasserstoffherstellungsschritt C verarbeitet, um ein Wasserstoff enthalten des Gas c herzustellen, welches dann einem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D zur Erzeugung von Elektrizität zugeführt wird.
  • Der Wasserstoffherstellungsschritt C umfasst einen Reformierungsschritt C1, um Methan, das in dem im Vorbehandlungsschritt B vorbehandelten Gas enthalten ist, mit Dampf in Wasserstoff und Kohlenmonoxid katalytisch zu reformieren; einen Shift-Reaktionsschritt C2, um nach der Reformierung in dem Gas enthaltenes Kohlenmonoxid mit Dampf in Wasserstoffgas und Kohlendioxid katalytisch umzuwandeln; und einen selektiven Oxidationsschritt C3, um nach dem Shiften in dem Gas verbliebenes Kohlenmonoxid mittels eines eingeführten Sauerstoff enthaltenden Gases zum selektiven Oxidieren und Entfernen des verbleibenden Kohlenmonoxids, katalytisch zu reagieren.
  • Hier wird ein in dem Reformierungsschritt C1 im Wasserstoffherstellungsschritt C freigesetztes Verbrennungsabgas d als ein Wiederaufbereitungsgas in einem alkalischen Absorptionsschritt B1 verwendet. Ein Teil einer Stapelabwärme g von dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D wird zum Erwärmen der alkalischen Absorptionslösung zu deren Wiederaufbereitung verwendet, während der verbleibende Teil der Stapelabwärme g zum Erwärmen der Methanfermentierungsflüssigkeit in dem Methanfermentierungsschritt A verwendet wird.
  • Diese Schritte werden noch genauer erklärt.
  • A) Methanfermentierungsschritt
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird organische Materie, insbesondere organische Abfälle wie zum Beispiel Abwasser, das bei der Nahrungsmittelherstellung freigesetzt wird, Abwasser von Bauernhöfen mit lebenden Viehbeständen oder überschüssiger Schlamm, der bei einer biologischen Behandlung von Abwasser oder ähnlichem gewonnen wird, einer Methanfermentierung ausgesetzt, um ein Faulgas zu gewinnen, welches dann zum Herstellen eines Wasserstoffgases oder eines Wasserstoff enthaltenden Ga ses verwendet wird. Das Wasserstoffgas oder das Wasserstoff enthaltende Gas wird dann an eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität zugeführt, während in dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt erzeugte Abwärme als eine Wärmequelle für den Methanfermentierungsschritt verwendet wird.
  • In dem Methanfermentierungsschritt A zerlegt eine Faulung durch Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen für eine Einwirkzeit von 20 bis 30 Tagen ungefähr 50% der organischen Materie gemäß der folgenden Reaktionsgleichung, um Methangas und Kohlendioxid herzustellen. Organische Materie → Fettsäure → CH4 + CO2 ...(1)
  • Für den Methanfermentierungsschritt A gibt es keine besondere Einschränkung der Bedingungen. Jedoch ist eine Mitteltemperaturfermentierung bei einer Temperatur von 30 bis 35°C vom Standpunkt der Einwirkzeit und des Wirkungsgrades geeignet. In diesem Fall werden die Stapelabwärme g (unten beschrieben), die im Brennstoffzellenleistungserzeugungschritt D erzeugt wird, und Wärme, die bei der Kühlung der alkalischen Absorptionslösung nach der Wiederaufbereitung in dem alkalischen Absorptionsschritt B1 ausgetauscht wird, als die Wärmequelle zum Erwärmen der Fermentierungsflüssigkeit und Beibehalten der Temperatur der Fermentierungsflüssigkeit verwendet.
  • B) Vorbehandlungsschritt – alkalischer Absorptionsschritt
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein alkalischer Absorptionsschritt B1 für den Vorbehandlungsschritt B vorgesehen. In diesem Schritt wird das Faulgas in den Absorber geführt, wo das Faulgas in Gegenstromkontakt mit einer alkalischen Absorptionslösung gebracht wird, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid zu absorbieren (nachfolgend als „Kohlendioxid und ähnliches" bezeichnet), wodurch Kohlendioxid und ähnliches vom Faulgas getrennt wird. Die alkalische Absorptionslösung, die von dem Absorber freigesetzt wurde, wird von der im Wasserstoffherstellungsschritt C und/oder dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D erzeugten Abwärme d, g erwärmt, und wird dann zum Wiederaufbereiter übertragen, wo die alkalische Absorptionslösung mit einem Verbrennungsabgas d, das im Wasserstoffherstellungsschritt C freigesetzt wird, oder dem Kathodenabzugsgas f, das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D freigesetzt wird, wiederaufbereitet wird. Die wiederaufbereitete alkalische Absorptionslösung wird an den Absorber zurückgeführt.
  • Der Absorber und der Wiederaufbereiter und ein Spülturm und ein Entschwefler (untenstehend beschrieben) werden mit Packmaterial gepackt. Jede Art von Packmaterial kann verwendet werden, so lange das Packmaterial einen zufrieden stellenden Korrosionswiderstand und Wärmewiderstand und zur selben Zeit einen hohen Kontaktwirkungsgrad hat. Eine Absorptionslösung aus Kaliumkarbonat oder eine Absorptionslösung aus einem Alkanolamin ist als die in dem Absorber verwendete Absorptionslösung geeignet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Absorptionslösung aus einem Alkanolamin bevorzugt, weil diese Absorptionslösung eine hohe Absorptionskapazität besitzt und zusätzlich dazu eine Absorption und Wiederaufbereitung bei einer Temperatur unter 80°C ermöglicht, die durch Verwendung der Abwärme g mit einem schwachen Wert, die in dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D und/oder der Abwärme des Verbrennungsabgases d, das im Wasserstoffherstellungsschritt C freigesetzt wird, vorgesehen werden kann. Spezifische Beispiele für Absorptionmittel, die hierbei anwendbar sind, schließen Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA) und Methyldiethanolamin (MDEA) und ähnliche ein. Eine Reaktion, die bei der Absorption von Kohlendioxid in die Absorptionslösung eines Alkanolamins auftritt, wird durch die folgende Formel dargestellt: R-NH2 + H2O + CO2 → R-NH3HCO3 ...(2)
  • Die Wiederaufbereitungsreaktion ist eine Umkehrreaktion der Reaktion (2).
  • Das Gas, das den alkalischen Absorptionsschritt B1 durchlaufen hat, wird zum Wasserstoffherstellungsschritt C als dem nächsten Schritt übertragen. Wenn in diesem Fall der Schwefelgehalt in dem Gas nicht zufrieden stellend verringert wurde, kann ein Trockenadsorptionsentschwefler zwischen dem alkalischen Absorptionsschritt B1 und dem Wasserstoffherstellungsschritt C vorgesehen werden.
  • C) Wasserstoffherstellungsschritt
  • 1) Reformierungsschritt
  • Gemäß der vorliegenden Ausführung wird ein Reformierungsschritt C1 in dem Wasserstoffherstellungsschritt C vorgesehen, um die folgende Dampfreformierungsreaktion in einem Reformierungsreaktor, der mit einem Reformierungskatalysator gepackt ist, auszuführen. CH4 + H2O → CO + 3H2 ...(3)
  • Dampf, der in einem Dampfsieder erzeugt wird, der als Wärmequelle die empfindliche Wärme des reformierten Gases verwendet, wird als der für die Reaktion notwendige Dampf hinzugefügt. Die Menge des hinzugefügten Dampfes liegt vorzugsweise in dem Bereich von 2,5 bis 3,5 in Einheiten des molaren Verhältnisses von Dampf zu Methan, d. h. dem S/C-Verhältnis. Diese Reformierungsreaktion ist eine endothermische Reaktion. Daher verringert eine höhere Reaktionstemperatur die Gleichgewichtskonzentration von Methan und steigert die Reaktionsrate, während sie zu einem niedrigeren thermischen Wirkungsgrad führt. Aus diesem Grund ist die Reaktionstemperatur vorzugsweise in dem Bereich von 650 bis 800°C. Die Versorgung mit Reaktionswärme und die Beibehaltung der Reaktionstemperatur werden durch Verwenden von Verbrennungswärme eines Anodenabzugsgases e ausgeführt, das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D freigesetzt wird. Die Art und die Form des Katalysators sind nicht besonders eingeschränkt, solange die Reformierungsreaktion beschleunigt werden kann. Ka talysatoren, die für die Verwendung in dem obigen Temperaturbereich geeignet sind, schließen Dampfreformierungskatalysatoren auf Nickelbasis, Rutheniumbasis, Platinbasis, Nickel-Rutheniumbasis und auf Ruthenium-Platinbasis und Legierungen dieser Katalysatoren ein.
  • 2) Shift-Reaktionsschritt
  • Weiter wird ein Shift-Reaktionsschritt C2 in dem Wasserstoffherstellungsschritt C vorgesehen, um die folgende Shift-Reaktion in einem Shift-Reaktor auszuführen, der mit einem Shift-Reaktionskatalysator gepackt ist. CO + H2O → CO2 + H2 ...(4)
  • Dampf, der in dem Gas nach der Reformierung enthalten ist, wird als für die Reaktion notwendiger Dampf verwendet. Die Shift-Reaktion ist eine exothermische Reaktion. Deshalb verringert eine niedrige Reaktionstemperatur die Gleichgewichtskonzentration von Kohlenmonoxid, während sie die Reaktionsrate herabsetzt. Aus diesem Grund ist die Reaktionstemperatur bevorzugterweise im Bereich von 200 bis 250°C. Die Art und die Form des Katalysators sind nicht besonders eingeschränkt, so lange die Shift-Reaktion beschleunigt werden kann. Katalysatoren, die für die Verwendung in dem obigen Temperaturbereich geeignet sind, schließen Shift-Reaktionskatalysatoren auf Kupfer-Zinkbasis ein.
  • 3) Selektiver Oxidationsschritt
  • Wenn eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle in dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D eingesetzt wird, wird ein selektiver Oxidationsschritt C3 in dem Wasserstoffherstellungsschritt C vorgesehen, um die Konzentration von Kohlenmonoxid in dem Gas nach der Shift-Reaktion auf nicht mehr als 100 ppm, vorzugweise nicht mehr als 10 ppm, weiter zu senken. Das heisst, dass die folgende selektive Oxidationsreaktion durch Zuführen eines Sauerstoffgases zu einem selektiven Oxidationsreaktor ausgeführt wird, der mit einem selektiven Oxidationskatalysator gepackt ist, während das obige Gas zu dem selektiven Oxidationsreaktor geführt wird. CO + 1/2O2 → CO2 ...(5)
  • Je größer die Menge des zugeführten Sauerstoffs, desto niedriger die Konzentration des übrigbleibenden Kohlenmonoxids. Die Menge des Sauerstoffs beträgt jedoch vorzugsweise ungefähr 2 Äquivalente des Kohlenmonoxids. Die Reaktionstemperatur ist bevorzugterweise in dem Bereich von 100 bis 150°C. Es kann jeder Katalysator ohne besondere Einschränkung verwendet werden, solange der Katalysator eine hohe Selektivität für die Oxidation von Kohlenmonoxid hat und eine hohe Reaktionsrate realisieren kann. Zum Beispiel ist ein Katalysator auf Platinbasis oder ein Goldkatalysator, bei dem Gold von Aluminium getragen wird, geeignet.
  • D) Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt
  • Gemäß dieser Ausführung hat das Wasserstoff enthaltende Gas c, das im Wasserstoffherstellungsschritt C hergestellt wird, eine relativ niedrige Temperatur, eine hohe Wasserstoffkonzentration und einen niedrigen Kohlenmonoxidgehalt. Deshalb ist die eingesetzte Brennstoffzelle vorzugsweise eine Phosphorsäurenbrennstoffzelle oder speziell eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle, die bei einer relativ niedrigen Temperatur betreibbar ist. In der Phosphorsäuren- oder Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle auftauchende elektrochemische Reaktionen sind wie folgt: Anodenreaktion: H2 → 2H+ + 2e– ...(6) Kathodenreaktion: 1/2O2 + 2H+ + 2e– → H2O ...(7)
  • Genauer wird das Wasserstoff enthaltende Gas c dem Anodenfeld in einem Brennstoffzellenstapel zugeführt, während ein Sauerstoff enthaltendes Gas h dem Kathodenfeld zugeführt wird, wobei Elektrizität durch die Reaktionen in der Zelle erzeugt wird. Die Betriebstemperatur der Phosphorsäurenbrennstoffzelle und die Betriebstemperatur der Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle betragen jeweils ungefähr 200°C und ungefähr 80°C. Weil jedoch diese Reaktionen exothermische Reaktionen sind, sollten die Stapel gekühlt werden, um die obigen Betriebstemperaturen aufrecht zu erhalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Abfluss von Stapelkühlwasser (warmes Wasser niedriger Temperatur in dem Fall der Phosphorsäurenbrennstoffzelle) g als eine Wärmequelle für die Wiederaufbereitung der alkalischen Absortptionslösung und als eine Wärmequelle für die Methanfermentierungsflüssigkeit verwendet. Somit kann der Energiewirkungsgrad des gesamten Systems gesteigert werden.
  • Um darüber hinaus bei der Brennstoffzellenleistungserzeugung den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung und die Dauerhaftigkeit des Stapels sicher zu stellen, ist es allgemeine Praxis, ungefähr 30% des dem Anodenfeld zugeführten Wasserstoffgases indem Stapel zu lassen, ohne 100% des zugeführten Wasserstoffgases zu verbrauchen und es als ein Anodenabzugsgas e von dem Stapel freizusetzen. Gemäß dieser Ausführung wird das Anodenabzugsgas e wie oben beschrieben als ein Brennstoff in dem Reformierungsschritt C1 verwendet, während das freigesetzte Verbrennungsabgas und das Kathodenabzugsgas f für die Wiederaufbereitung der alkalischen Absorptionslösung in dem Wiederaufbereitungsschritt verwendet werden.
  • Als nächstes wird ein Beispiel der ersten Ausführung unter Bezugnahme auf die 4 beschrieben. 4 ist ein Diagramm, das die grundlegende Zusammensetzung des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäß dieser Ausführung zeigt.
  • Zu Beginn wird organische Materie a in einem Fermentierungsstank 11 für den Methanfermentierungsschritt A fermentiert, um ein Faulgas b zu gewinnen. Das Faulgas b wird durch einen Faulgashalter 14 geführt und wird zu dem Boden eines Absorbers 21 geführt, um einen alkalischen Absorptionsschritt B1 auszuführen. In diesem Absorber 21 wird das Faulgas b in Gegen stromkontakt mit der alkalischen Absorptionslösung 22 gebracht, um Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid zu absorbieren und zu entfernen. In diesem Fall wird Kohlendioxid durch Absorption entfernt, so dass die Konzentration des verbleibenden Kohlendioxids in dem Gas 23 nach der Absorption nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr als 5% beträgt, während Wasserstoffsulfid durch Absorption entfernt wird, so dass die Konzentration des verbleibenden Wasserstoffsulfids in dem Gas 23 nach der Absorption nicht mehr als 10 ppm, vorzugsweise nicht mehr als 1 ppm, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,1 ppm beträgt.
  • Das Gas 23 nach der Absorption, das vom Kopf des Absorbers 21 freigesetzt wurde, tritt in einen Spülturm 31 ein, der an dem oberen Teil des Absorbers 21 angebracht ist, wo das Gas 23 in Gegenstromkontakt mit Spülwasser 32 gebracht wird, um Tropfen der Absorptionslösung auszuwaschen, die vom Absorber 21 übertragen wurden. Nach dem Spülvorgang wird das Gas 33, das vom Spülturm 31 freigesetzt worden ist, durch ein Gebläse 34 zu dem Reformierungsschritt C1 in dem Wasserstoffherstellungsschritt C als dem nächsten Schritt übertragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in dem alkalischen Absorptionsschritt B1 in dem Faulgas b enthaltenes Kohlendioxid zu 90% oder mehr getrennt und entfernt werden. Daher kann im Vergleich mit dem Fall, bei dem der alkalische Absorptionsschritt nicht vorgesehen ist, die Leistung des Gebläses 34 zum Blasen und Anheben um ungefähr 40% reduziert werden.
  • Als ein Ergebnis des Spülvorganges wird die Konzentration des alkalischen Absorptionsmittels im Spülwasser 35 stufenweise erhöht. Daher wird bei diesem Beispiel stets ein Teil des Spülwassers 35 durch ein Ventil 36 abgezogen und dem Spülwasser wird reines Ergänzungswasser 38 in einer dem abgezogenen Spülwasser 37 entsprechenden Menge beigefügt. Das abgezogene Spülwasser 37 wird als Ergänzungswasser für die alkalische Absorptionslösung 22 verwendet. Darüber hinaus kann auch ein durch Kühlen und Kondensierungstrennung des Wiederaufbereitungsabgases 47 wiedergewonnenes Kondensat als das Ergänzungswasser 38 verwendet werden.
  • Hier wird die alkalische Absorptionslösung 24 mit darin absorbiertem Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid (nachfolgend als die „alkalische Absorptionslösung nach dem Absorptionsvorgang" bezeichnet) durch eine Flüssigkeitsverteilerpumpe 25 für einen Wärmeaustauschschritt von dem Boden des Absorbers 21 zu einem Wärmetauscher 26 überführt. In diesem Wärmetauscher 26 wird der Wärmeaustauschschritt ausgeführt. Genauer wird der Wärmeaustausch zwischen der alkalischen Absorptionslösung 24 nach dem Absorptionsvorgang und dem Abfluss des Stapelkühlwassers 39 von dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D ausgeführt, wobei die alkalische Absorptionslösung 24 nach dem Absorptionsvorgang auf eine Temperatur erwärmt wird, die um 10°C oder weniger, vorzugweise ungefähr 2°C oder weniger, niedriger ist als die Temperatur des Abflusses des Stapelkühlwassers 39.
  • Die so erwärmte alkalische Absorptionslösung 27 wird zum Einlass an der Spitze eines Wiederaufbereiters 41 für einen Wiederaufbereitungsschritt geführt. In dem Wiederaufbereiter 41 wird die erwärmte alkalische Absorptionslösung 27 in Gegenstromkontakt mit dem Verbrennungsabgas d gebracht, das im Reformierungsschritt C1 freigesetzt wird. Als ein Ergebnis davon werden in der alkalischen Absorptionslösung absorbiertes Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid aus der alkalischen Absorptionslösung gezogen, und dadurch wird die alkalische Absorptionslösung wiederaufbereitet.
  • Nach dem Wiederaufbereitungsvorgang wird die alkalische Absorptionslösung 42 (nachfolgend als die „wiederaufbereitete alkalische Absorptionslösung" bezeichnet) durch eine Flüssigkeitsverteilerpumpe 43 vom Boden des Wiederaufbereiters 41 zum Wärmetauscher 13 in dem Methanfermentierungstank 11 überführt. Dieser Wärmetauscher 13 kühlt die wiederaufbereitete alkalische Absorptionslösung 42 auf eine Temperatur, die um ungefähr 10 bis 35°C niedriger ist als die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung 27 (vor der Wiederaufbereitung) am Einlass an der Spitze des Wiederaufbereiters 41, und die um 2°C oder mehr höher ist als die Temperatur der Methanfermentierungsflüssigkeit, die in dem Fermentierungstank 11 enthalten ist. Die gekühlte alkalische Absorptionslösung 22 wird wieder zur Spitze des Absorbers 21 geführt. Dies erlaubt es, dass eine beträchtliche Menge der für die Wiederaufbereitung zugeführten Wärme zum Erwärmen der Methanfermentierungsflüssigkeit wieder verwendet werden kann. Es sollte angemerkt werden, dass an Stelle des Wärmetauschers 13 auch ein Wasserkühler oder ein Luftkühler verwendet werden kann, um die wiederaufbereitete alkalische Absorptionslösung 42 zu kühlen.
  • Die wiederholte Verwendung der alkalischen Absorptionslösung resultiert in einer stufenweisen Herabsetzung einiger aktiver Komponenten. Deshalb wird bei diesem Beispiel ein Teil der wiederaufbereiteten alkalischen Absorptionslösung 42 immer durch das Ventil 44 abgezogen und es wird eine frische Absorptionslösung in einer der abgezogenen Lösung 45 entsprechenden Menge durch eine Zuführeinheit 46 für Chemikalien in das System eingeführt. Hier wird ein Teil des in der alkalischen Absorptionslösung 27 angesammelten Wasserstoffsulfids mit Sauerstoff oxidiert, der im Verbrennungsabgas d für die Wiederaufbereitung enthalten ist, und es besteht zu befürchten, dass durch diese Oxidation gebildete Schwefelsäure den pH-Wert der Absorptionslösung verringert. In diesem Fall erlaubt es das Mischen von Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid in die zuzuführende frische Absorptionslösung, dass der pH-Wert der Absorptionslösung konstant gehalten wird.
  • Nach dem Spülvorgang wird das Gas 33 in dem Reformierungsschritt C1 Dampfreformierung ausgesetzt, und es wird dann durch den Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsschritt C2 und den selektiven Kohlenmonoxidoxidationsschritt C3 geführt, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas herzustellen. Als nächstes werden das Wasserstoff enthaltende Gas und Luft h als ein Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D zugeführt, wo Brennstoffzellenleistungserzeugung ausgeführt wird. Wenn in diesem Fall die in dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D eingesetzte Brennstoffzelle eine Phosphorsäurenbrennstoffzelle ist, ist der selektive Kohlenmonoxidoxidationsschritt C3 unnötig.
  • In diesem Beispiel werden sowohl das Anodenabzugsgas e und das Kathodenabzugsgas f, die im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D freigesetzt werden, im Reformierungsschritt C1 einem Brenner zugeführt, und das Verbrennungsabgas d, das im Reformierungsschritt C1 freigesetzt wird, wird wie oben beschrieben als ein Wiederaufbereitungsgas im Wiederaufbereiter 41 des Wiederaufbereitungsschrittes verwendet.
  • Weiter wird wie oben beschrieben nachdem der Wärmeaustausch zwischen dem Abfluss des Stapelkühlwassers 39 aus dem Stapel in dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D und der alkalischen Absorptionslösung 24 nach dem Absorptionsvorgang mit dem Wärmetauscher 26 ausgeführt wurde, und weiter der Wärmeaustausch zwischen dem Abfluss des Stapelkühlwassers 39 und der Methanfermentierungsflüssigkeit mit dem Wärmetauscher 12 in dem Methanfermentierungstank 11 ausgeführt wurde, der Auslass des Stapelkühlwassers 39 somit auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht und dann als Einlass von Kühlwasser 40 zu dem Stapel zurückgebracht.
  • Als nächstes wird die zweite Ausführung des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäss der vorliegenden Erfindung im Einzelnen mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches das Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß dieser Ausführung zeigt. In 2 haben solche Schritte und Elemente, die mit denjenigen der 1 identisch sind oder ihnen entsprechen, dieselben Bezugszeichen, wie sie in 1 verwendet werden. Bei der zweiten Ausführung sind Teile, auf die hier nicht besonders verwiesen wird, die gleichen wie diejenigen in der ersten Ausführung.
  • Gemäß dieser Ausführung wird wie in 2 gezeigt das Verbrennungsabgas d, das im Reformierungsschritt C1 im Wasserstoffherstellungsschritt C freigesetzt wird, als eine Wärmequelle zur Wiederaufbereitung in dem alkali schen Absorptionsschritt B1 verwendet, während das Kathodenabzugsgas f, das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D freigesetzt wird, als ein Wiederaufbereitungsgas in dem alkalischen Absorptionsschritt B1 verwendet wird. Weiter wird ein Teil der Stapelabwärme g vom Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D zum Erwärmen der alkalischen Absorptionslösung für deren Wiederaufbereitung verwendet, während die verbleibende Stapelabwärme g zum Erwärmen der Methanfermentierungsflüssigkeit in dem Methanfermentierungsschritt A verwendet wird.
  • Als nächstes wird das erste Beispiel der zweiten Ausführung unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. 5 zeigt die grundlegende Zusammensetzung des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäß diesem Beispiel.
  • Weil bei diesem Beispiel Luft i im Reformierungsschritt C1 mit dem Wasserstoffherstellungsschritt C als ein die Verbrennung unterstützendes Gas verwendet wird, wird das im Reformierungsschritt C1 freigesetzte Verbrennungsabgas d zu einem zusätzlich eingebauten Wärmetauscher 28 geführt. Mit diesem Wärmetauscher 28 wird auch ein Wärmeaustauschschritt ausgeführt. Genauer wird nach dem Wärmeaustausch mit der alkalischen Absorptionslösung 24 das Verbrennungsabgas 29 nach dem Wärmeaustausch abgepumpt. Hier wird das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D freigesetzte Kathodenabzugsgas als ein Wiederaufbereitungsgas zu dem Wiederaufbereiter 41 geführt. Die Zusammenstellung außer den oben genannte Punkten ist die gleiche wie die Zusammenstellung des Beispiels der ersten Ausführung, so dass eine Beschreibung davon weggelassen wird.
  • Als nächstes wir das zweite Beispiel der zweiten Ausführung unter Bezugnahme auf die 7 beschrieben. Dieses Beispiel ist das gleiche wie das erste Beispiel, außer dass Mittel zum Steuern bzw. Regeln der Methankonzentration in dem Gas 33 nach dem Absorptionsvorgang auf einen gewissen Wert eingebaut sind.
  • Wie in 7 gezeigt, sind bei diesem Beispiel Methankonzentrationserfassungsmittel 60 vorgesehen, Niveauerfassungsmittel 61 für den Grad der in dem Tank des Wiederaufbereiters 41 gespeicherten Lösung, ein Regler 62 und Invertierer 63, 64. Wenn zum Beispiel die Methankonzentration in dem Faulgas b aufgrund irgendwelcher Ursachen abfällt, tendiert die Methankonzentration in dem Gas 33 nach dem Absorptionsvorgang ebenfalls dazu, abzufallen, sofern keine Maßnahmen getroffen werden. In diesem Beispiel kann dieses ungünstige Phänomen durch die folgende Prozedur vermiedern werden. Es wird speziell die Tendenz zur Abnahme der Methankonzentration durch die Methankonzentrationserfassungsmittel 60 erfasst und es wird ein Erfassungssignal an die Steuerung bzw. den Regler 62 gesendet. Der Regler 62 vergleicht das Erfassungssignal mit dem gesetzten Wert und sendet ein Regelsignal an den Invertierer 63, um die Frequenz zu erhöhen. Anschließend erhöht der Invertierer 63 die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe 43, um die Flussrate der dem Absorber 21 zugeführten alkalischen Absorptionslösung 22 zu erhöhen. Dies wiederum erhöht die Absorptionskapazität des Absorbers 21 und resultiert somit in der Beibehaltung der Methankonzentration in dem Gas 33 auf einem gewissen Wert. Dies bringt jedoch eine abnehmende Tendenz für das Niveau der in dem Tank des Wiederaufbereiters 41 gespeicherten Lösung. Hier wird das von den Niveauerfassungsmitteln 61 ausgegebene Erfassungssignal an den Regler 62 gesendet, welcher dann ein Regelsignal an den Invertierer 64 sendet, um die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe 25 zu erhöhen. Damit wird das Niveau der in dem Tank gespeicherten Lösung unverändert gehalten. Gemäß diesem Beispiel kann auch selbst in der Situation, wenn die Methankonzentration in dem Faulgas b aufgrund gewisser Ursachen hoch wird, die Methankonzentration in dem Gas 33 konstant gehalten werden, obwohl eine genauere Erklärung dafür weggelassen wird.
  • Für die Methankonzentrationerfassungsmittel können jede Erfassungsmittel verwendet werden, so lange die Methankonzentration erfasst werden kann. Es wird jedoch ein kontinuierliches Methankonzentrationsmeter vom Absorptionstyp bevorzugt. Weiter können Kohlendioxiderfassungsmittel anstatt der Methankonzentrationserfassungsmittel verwendet werden. Weiter können anstatt der Methankonzentrationserfassungsmittel oder der Kohlendioxiderfassungsmittel auch Wasserstoffkonzentrationserfassungsmittel (in 7 nicht gezeigt) zum Erfassen der Konzentration von Wasserstoff in dem Wasserstoff enthaltenden Gas c, das im Wasserstoffherstellungsschritt C erhalten wird, zum Regeln der Wasserstoffkonzentration auf einen bestimmten Wert verwendet werden, um einen gleichmäßigen und wirkungsvollen Betrieb im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D zu sichern.
  • Die Kapazität der alkalischen Absorptionslösung 22, Kohlendioxid zu absorbieren, wächst mit der Verringerung ihrer Temperatur an. Deshalb kann gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich zur Flussrate der alkalischen Absorptionslösung in dem Absorber die Temperatur der Absorptionslösung auch als ein Betriebsparameter zur Regelung der Methankonzentration in dem Gas 33 nach dem Absorptionsvorgang oder der Wasserstoffkonzentration in dem Wasserstoff enthaltenden Gas c nach dem Wasserstoffherstellungsschritt C verwendet werden, obwohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist. Natürlich kann auch die Kombination aus der Flussrate und der Temperatur der Absorptionslösung verwendet werden.
  • Als nächstes wird die dritte Ausführung des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • 3 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches das Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß dieser Ausführung zeigt. In 3 haben Schritte und Elemente, die mit denjenigen der 1 identisch sind oder diesen entsprechen, die selben Bezugszeichen, wie sie in 1 verwendet werden. Bei der dritten Ausführung sind Teile, auf die hierbei nicht besonders hingewiesen wird, die gleichen wie diejenigen der ersten Ausführung.
  • Gemäß dieser Ausführung wird wie in 3 gezeigt das Verbrennungsabgas d, das im Reformierungsschritt C1 freigegeben wird, im Wasserstoffherstel lungsschritt C als ein Wiederaufbereitungsgas in dem alkalischen Absorptionsschritt B1 verwendet. In diesem System kann natürlich das im Reformierungsschritt C1 freigesetzte Verbrennungsabgas d als eine Wärmequelle für die Wiederaufbereitung in dem alkalischen Absorptionsschritt B1 verwendet werden, während das Kathodenabzugsgas f, das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D freigesetzt wird, als ein Wiederaufbereitungsgas in dem alkalischen Absorptionsschritt B1 verwendet werden kann. Weiter wird ein Teil der Stapelabwärme g, die im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt D freigesetzt wird, zum Erwärmen der alkalischen Absorptionslösung für deren Wiederaufbereitung verwendet, während die verbleibende Stapelabwärme g zur Erwärmung der Methanfermentierungsflüssigkeit in dem Methanfermentierungsschritt A verwendet wird.
  • Gemäß dieser Ausführung wird ein Entschwefelungsschritt E vorgesehen, in welchem das Faulgas b, das in dem Methanfermentierungsschritt A gewonnen wird, in Gegenstromkontakt mit einer Entschwefelungsslösung gebracht wird, die eine alkalische Chemikalie und ein wasserlösliches Oxidationmittel enthält, um Wasserstoffsulfid zu absorbieren und oxidierend zu zerlegen. Zum Beispiel sind Ätznatron (caustic soda) und Kaliumhydroxid als die alkalische Chemikalie geeignet, und auf Chlor basierende Oxidationsmittel, auf Brom basierende Oxidationsmittel und Wasserstoffperoxid sind als das wasserlösliche Oxidationsmittel geeignet. Wenn Ätznatron als die alkalische Chemikalie verwendet wird, wobei Natriumhypobromid als das wasserlösliche Oxidationsmittel verwendet wird, findet die folgende Absorptionsreaktion und die oxidierende Zerfallsreaktion statt. H2S + NaOH → NaHS + H2O ...(8) NaHS + 3NaOBr → NaHSO3 + 3NaBr ...(9)
  • Ein Beispiel für die dritte Ausführung wird unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. 6 zeigt die grundlegende Zusammenstellung des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems für dieses Beispiel.
  • In diesem Beispiel wird das Faulgas b für einen Entschwefelungsschritt E in einen Entschwefeler 51 eingeführt. In dem Entschwefeler 51 wird das Faulgas b in Gegenstromkontakt mit einer Entschwefelungslösung 52 gebracht. Dieser Vorgang erlaubt es, dass Wasserstoffsulfid absorbiert und oxidierend zerlegt wird, so dass die Konzentration von Wasserstoffsulfid in dem Gas 53 nach dem Entschwefelungsvorgang nicht mehr als 10 ppm beträgt, vorzugsweise nicht mehr als 1 ppm, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,1 ppm. Als ein Ergebnis des Entschwefelungsvorganges wird die Entschwefelungslösung 52 stufenweise verschlechtert. Darum wird bei diesem Beispiel ein Teil der Entschwefelungslösung 52 stets durch ein Ventil 54 abgezogen und es wird eine frische Entschwefelungslösung in einer der abgezogenen Lösung 55 entprechenden Menge durch eine Zuführeinheit 56 für Chemikalien in das System eingeführt.
  • Das im Entschwefeler 51 entschwefelte Gas 53 wird für den alkalischen Absorptionsschritt B1 zum Absorber 21 geführt. Der Vorgang nach der Behandlung in dem Absorber 21 ist der gleiche wie im ersten Beispiel der ersten Ausführung, und dessen Erklärung wird daher weggelassen.
  • Als nächstes wird die vierte Ausführung des Brennstoffzellenleistungserzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • 8 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches das Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem gemäß dieser Ausführung zeigt. In 8 haben Schritte und Elemente, die mit denjenigen der 2 identisch sind oder ihnen entsprechen, dieselben Bezugszeichen wie die in 2 verwendeten. Bei der vierten Ausführung sind Teile, auf die hier nicht besonders verwiesen wird, dieselben wie diejenigen in der zweiten Ausführung.
  • Gemäß dieser Ausführung wird wie in 8 gezeigt ein biologischer Wasserstoffsulfidzerlegungsschritt F vorgesehen. Das im alkalischen Absorpti onsschritt B freigesetzte Wiederaufbereitungsabgas wird zum biologischen Wasserstoffsulfidzerlegungsschritt F geführt, um durch Mikroorganismen in dem Gas enthaltenes Wasserstoffsulfid biologisch in Schwefel und Schwefelsäure zu zerlegen. Nach dem biologischen Entschwefelungsvorgang wird das Gas als endgültiges Abgas freigesetzt.
  • Wie oben beschrieben können gemäß der vorliegenden Erfindung die Entschwefelung, die Trennung von Kohlendioxid und die Stabilisierung der Methankonzentration des bei der Methanfermentierung organischer Materie gewonnenen Faulgases gleichzeitig in einem einzigen Schritt, d. h. in dem alkalischen Absorptionsschritt, ausgeführt werden. Dies kann ein vereinfachtes Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem, das ein Faulgas verwendet, verbunden mit reduzierten Betriebskosten realisieren. Weil weiter Methan in einem Faulgas beständig auf eine gewisse Konzentration von bis zu 95% oder sogar höher angereichert werden kann, können der Wasserstoffherstellungsschritt und der Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt stabil betrieben werden. Weiter ist die Wiedergewinnungsrate von Methan ungefähr 100% und der Leistungsverbrauch ist daher klein. Zusätzlich dazu kann Abwärme mit einem schwachen Wert, die in dem Wasserstoffherstellungsschritt und dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt erzeugt wird, in einer kaskadierenden Form verwendet werden. Deshalb ist der Energiewirkungsgrad des gesamten Systems hoch.
  • Obwohl nur wenige gewisse bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und im Einzelnen beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass dabei verschiedene Änderungen und Modifizierungen gemacht werden können, ohne den Bereich der angefügten Ansprüche zu verlassen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung wird zur Wiedergewinnung chemischer Energie organischer Materie in der Form eines Wasserstoffgases und zur Umwandlung von Wasserstoffgas in elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad an gewendet und ist auf ein System zum Herstellen eines Wasserstoffgases oder eines Wasserstoff enthaltenden Gases aus einem anaeroben Faulgas, das durch Methanfermentierung organischer Abfälle gewonnen wird, und auf ein System zur Erzeugung von Elektrizität durch Zuführen des hergestellten Wasserstoffgases oder des Wasserstoff enthaltenden Gases zu einer Brennstoffzelle anwendbar.

Claims (16)

  1. Brennstoffzellenleistungserzeugungsverfahren, das Methanfermentierung organischer Materie verwendet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: einen Methanfermentierungsschritt, bei dem organische Materie einer Methanfermentierung ausgesetzt wird, um ein Faulgas zu gewinnen; einen Vorbehandlungsschritt, um das in dem Methanfermentierungsschritt gewonnene Faulgas vorzubehandeln; einen Wassersfoffherstellungsschritt, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas aus dem in dem Vorbehandlungsschritt vorbehandelten Gas herzustellen; und einen Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt, um das in dem Wasserstoffherstellungsschritt hergestellte Wasserstoff enthaltende Gas zur Erzeugung von Elektrizität einer Brennstoffzelle zuzuführen; wobei der Vorbehandlungsschritt einen alkalischen Absorptionsschritt umfasst zum Absorbieren von Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid, die in dem im Methanfermentierungsschritt gewonnenen Faulgas enthalten sind, und zwar durch eine alkalische Absorptionslösung, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid von dem Faulgas zu trennen; und wobei in dem alkalischen Absorptionsschritt zur Anreicherung der Methankonzentration das Faulgas in einen Gegenstromkontakt mit der alkalischen Absorptionslösung gebracht wird, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid in der alkalischen Absorptionslösung zu absorbieren; und das darüber hinaus folgende Schritte umfasst: einen Wärmeaustauschschritt, um durch in dem Wasserstoffherstellungsschritt und/oder dem Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt erzeugte Abwärme die alkalische Absorptionslösung zu erwärmen, die im alkalischen Absorptionsschritt Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid absorbiert; und einen Wiederaufbereitungsschritt, um die alkalische Absorptionslösung wiederaufzubereiten, indem die in dem Wärmeaustauschschritt erwärmte alkalische Absorptionslösung in Gegenstromkontakt mit einem Kathodenabgas, das im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt freigesetzt wird, oder einem Verbrennungsabgas, das im Wasserstoffherstellungsschritt freigesetzt wird, gebracht wird, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid aus der alkalischen Absorptionslösung zu ziehen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung in dem Wiederaufbereitungsschritt um 10°C oder weniger niedriger ist als die Temperatur eines Abflusses von Stapelkühlwasser im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt, während die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor dem Absorbieren in dem alkalischen Absorptionsschritt im Bereich von 10°C bis 35°C niedriger ist als die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung in dem Wiederaufbereitungsschritt um 2°C oder weniger niedriger ist als die Temperatur eines Abflusses von Stapelkühlwasser im Brennstoffzellenleistungserzeugungsschritt, während die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor dem Absorbieren in dem alkalischen Absorptionsschritt im Bereich von 10°C bis 35°C niedriger ist als die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung und um 2°C oder mehr höher ist als die Temperatur einer Methanfermentierungsflüssigkeit in dem Methanfermentierungsschritt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der alkalische Absorptionsschritt einen Schritt umfasst, bei dem das Gas nach der Absorption in Gegenstromkontakt mit Wasser gebracht wird, um auf das Gas übertragene Tropfen der Absorptionslösung auszuwaschen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner einen Entschwefelungsschritt aufweist, bei dem das in dem Methanfermentierungsschritt gewonnene Faulgas in Gegenstromkontakt mit einer Entschwefelungslösung gebracht wird, die eine alkalische Chemikalie und ein wasserlösliches Oxidationsmittel enthält, um Wasserstoffsulfid zu absorbieren und oxidierend zu zerlegen, und dann dem alkalischen Absorptionsschritt zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoffherstellungsschritt einen Reformierungsschritt und einen Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsschritt umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Wasserstoffherstellungsschritt einen selektiven Kohlenmonoxidoxidationsschritt nach dem Reformierungsschritt und dem Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsschritt umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle oder eine Phosphorsäurenbrennstoffzelle umfasst.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der alkalische Absorptionsschritt eine Steuerung bzw. einen Regler umfasst, um die Methankonzentration in dem Gas nach der Absorptionswirkung auf einen bestimmten Wert zu steuern bzw. zu regeln.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein biologischer Entschwefelungsschritt vorgesehen ist und ein im Wiederaufbereitungsschritt freigesetztes Abgas zu dem biologischen Entschwefelungsschritt geführt wird, um in dem Abgas enthaltenes Wasserstoffsulfid biologisch abzubauen.
  11. Brennstoffzellenleistungserzeugungssystem, bei dem ein Faulgas durch Methanfermentierung von organischer Materie gewonnen wird und ein Wasserstoff enthaltendes Gas aus dem gewonnenen Faulgas hergestellt und dann einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität zugeführt wird, wobei das System folgendes umfasst: eine alkalische Absorptionsvorrichtung zum Absorbieren von in dem bei der Methanfermentierung gewonnenen Faulgas enthaltenen Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid durch eine alkalische Absorptionslösung, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid von dem Faulgas zu trennen und um dadurch die Methankonzentration in dem Gas anzureichern, einen Wärmetauscher, um die alkalische Absorptionslösung, welche in der alkalischen Absorptionsvorrichtung das Kohlendioxid oder das Kohlendioxid und das Wasserstoffsulfid absorbiert hat, durch Abwärme, die bei der Herstellung des Wasserstoff enthaltenden Gases und/oder bei der Leistungserzeugung unter Verwendung des Wasserstoff enthaltenden Gases erzeugt wird, zu erwärmen; und eine Wiederaufbereitungsvorrichtung, um die alkalische Absorptionslösung wiederaufzubereiten, indem die in dem Wärmetauscher erwärmte alkalische Absorptionslösung in Gegenstromkontakt mit einem Kathodenabgas von der Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsabgas von der Herstellung des Wasserstoff enthaltenden Gases gebracht wird, um Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfid aus der alkalischen Absorptionslösung zu ziehen.
  12. System nach Anspruch 11, wobei die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung in der alkalischen Wiederaufbereitungsvorrichtung um 10°C oder weniger niedriger ist als die Temperatur eines Abflusses von Stapelkühlwasser aus der das Wasserstoff enthaltende Gas verwendenden Brennstoffzelle, während die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Absorption in der alkalischen Absorptionsvorrichtung in dem Bereich von 10°C bis 35°C niedriger ist als die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung.
  13. System nach Anspruch 11, wobei die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung in der alkalischen Wiederaufbereitungsvorrichtung um 2°C oder weniger niedriger ist als die Temperatur eines Abflusses von Stapelkühlwasser von der das Wasserstoff enthaltende Gas verwendenden Brennstoffzelle, während die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Absorption in der alkalischen Absorptionsvorrichtung in dem Bereich von 10°C bis 35°C niedriger ist als die Temperatur der alkalischen Absorptionslösung vor der Wiederaufbereitung und um 2°C oder mehr höher ist als die Temperatur einer Methanfermentierungsflüssigkeit bei der Methanfermentierung.
  14. System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das ferner eine Spülvorrichtung umfasst, um das Gas nach der Absorption in der alkalischen Absorptionsvorrichtung in Gegenstromkontakt mit Wasser zu bringen, um auf das Gas übertragene Tropfen der Absorptionslösung auszuwaschen.
  15. System nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das bei der Methanfermentierung gewonnene Faulgas in Gegenstromkontakt mit einer Entschwefelungslösung gebracht wird, die eine alkalische Chemikalie und ein wasserlösliches Oxidationsmittel enthält, um Wasserstoffsulfid zu absorbieren und oxidierend zu zerlegen, und anschließend der alkalischen Absorptionvorrichtung zugeführt wird.
  16. System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Brennstoffzelle eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle oder eine Phosphosäurebrennstoffzelle aufweist.
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