生物质气化发电系统和发电方法
阅读说明：本技术 生物质气化发电系统和发电方法 (Biomass gasification power generation system and power generation method ) 是由 广兼岳志 桐野智明 木村龙太郎 于 2019-02-01 设计创作，主要内容包括：一种生物质气化发电系统,其具备：由生物质和气化剂生成可燃气体的气体生成装置；由包含利用该气体生成装置而生成的可燃气体的燃料气来生成动力的内燃机；以及由利用该内燃机产生的动力来生成电力的发电机,前述发电系统还具备通过水电解而生成氧气和氢气的水电解装置,前述气化剂包含利用前述水电解装置而生成的氧气,前述燃料气包含利用前述水电解装置而生成的氢气,前述气化剂中的氧浓度为22体积％以上且40体积％以下。(A biomass gasification power generation system is provided with: a gas generating means for generating a combustible gas from the biomass and the gasifying agent; an internal combustion engine that generates power from a fuel gas containing a combustible gas generated by the gas generator; and a generator for generating electric power from power generated by the internal combustion engine, wherein the power generation system further includes a water electrolysis device for generating oxygen gas and hydrogen gas by electrolysis of water, the gasifying agent contains the oxygen gas generated by the water electrolysis device, the fuel gas contains the hydrogen gas generated by the water electrolysis device, and the oxygen concentration in the gasifying agent is 22 vol% or more and 40 vol% or less.)
技术领域
本发明涉及生物质气化发电系统和发电方法。
背景技术
提出了将作为生物来源资源的生物质气化并加以利用的方法。更详细而言，若在汽化炉中向生物质内投入包含空气、氧气或水蒸气等的气化剂而将其气化，则生成包含氢气、一氧化碳和二氧化碳作为主成分的合成气体。所生成的合成气体被用作内燃机的燃料。此处，通过上述气化，通常在生成合成气体的同时，还生成作为烃的焦油等副产物。所生成的焦油等成为上述气化炉中的设备和配管堵塞的原因等，存在由副生物产生而引起的问题。
专利文献1公开了一种热解气化系统，其具备：获得将生物质或有机性废弃物在规定温度下进行碳化处理而得到的碳化物的碳化装置；以及将通过该碳化装置而得到的碳化物、水蒸气和空气投入至热解气化炉内而得到可燃气体的热解气化装置。该文献中公开了：由于进行根据有机性废弃物性状的碳化处理，因此可抑制焦油成分的产生，能够获得收率高等性状最佳的可燃气体，进而，该可燃气体能够以内燃机作为驱动源来驱动发电机，能够利用紧凑且廉价的装置以中小规模进行发电。此外，该文献中公开了：为了提高所生成的可燃气体的浓度，还可以投入利用变压吸附装置(PSA)而生成的富氧空气来代替空气。
专利文献2中公开了一种同时生产氢气和电力的方法，其包括如下步骤：利用间歇性可再生能源，生成用于生产氢气和氧气的能量的步骤；使至少一部分能量转移至生产系统，生产氢气和氧气的步骤；对于以将氢气从氢气运输系统运输至发电系统或储氢系统中的至少一者的方式构成的氢气运输系统，导入至少一部分氢气的步骤；将至少一部分氧气导入至以将氧气从氧气运输系统向生物质气化系统运输的方式构成的氧气运输系统，通过生物质原料的部分氧化而生成合成气体的步骤；以及将至少一部分合成气体导入至发电系统，由此生产电力的步骤。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-035837号公报
专利文献2：日本特表2007-525555号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1所记载的热解气化系统中，从抑制焦油成分的产生等的观点出发，为了将生物质等制成最适合于气化的性状而需要以300℃以上的高温来进行碳化处理，系统整体的能效不充分。此外，该文献中，由利用内燃机而生成的可燃气体来生成动力，并利用所生成的动力来驱动发电机，但为了以发电系统的形式进行实用化而需要进一步提高动力。
针对专利文献2所记载的同时生产氢气和电力的方法，在实施例中未经实际验证，针对同时生产方法所使用的氧气中的氧浓度未作研究。
因而，本发明的目的在于，提供在由生物质生成可燃气体时能够提高可燃气体的收率、且能够进一步提高用于驱动发电机的动力的发电系统和发电方法。
用于解决问题的方案
本发明人为了解决上述课题而进行了深入研究，结果发现：在利用生物质来生成电力的发电系统中，若制成包含通过水电解而生成的氧气来作为用于由生物质生成可燃气体的气化剂，在包含上述可燃气体的同时包含通过水电解而生成的氢气作为用于生成动力的燃料气，且将气化剂中的氧浓度设为规定范围内的构成，则能够解决上述课题，从而完成了本发明。
具体而言，通过下述手段来实现。
<1>一种生物质气化发电系统，其具备：由生物质和气化剂生成可燃气体的气体生成装置(气体生成单元)；由包含利用该气体生成装置而生成的可燃气体的燃料气来生成动力的内燃机；以及由利用该内燃机产生的动力来生成电力的发电机，前述发电系统还具备通过水电解而生成氧气和氢气的水电解装置，前述气化剂包含利用前述水电解装置而生成的氧气，前述燃料气包含利用前述水电解装置而生成的氢气，前述气化剂中的氧浓度为22体积％以上且40体积％以下。
<2>根据<1>所述的生物质气化发电系统，其还具备：将利用前述水电解装置而生成的氧气供给至前述气体生成装置的供氧装置(供氧单元)；以及将利用前述水电解装置而生成的氢气供给至前述内燃机的供氢装置。
<3>根据<1>或<2>所述的生物质气化发电系统，其中，前述生物质为来自植物的生物质。
<4>根据<1>～<3>中任一项所述的生物质气化发电系统，其中，前述来自植物的生物质包含木质系生物质、草本系生物质、植物残渣和食品残渣中的至少1种。
<5>根据<1>～<4>中任一项所述的生物质气化发电系统，其中，前述生物质中的水含量为10质量％以上。
<6>根据<1>～<4>中任一项所述的生物质气化发电系统，其中，前述生物质中的水含量为10质量％以上且60质量％以下。
<7>根据<1>～<6>中任一项所述的生物质气化发电系统，其中，前述燃料气中的氢浓度为15体积％以上且50体积％以下。
<8>一种发电方法，其包括如下工序：由生物质和气化剂生成可燃气体的气体生成工序；由包含通过该气体生成工序而生成的可燃气体的燃料气来生成动力的动力生成工序；以及由通过该动力生成工序产生的动力来生成电力的电力生成工序，前述发电方法还包括通过水电解来生成氧气和氢气的水电解工序，前述气化剂包含通过前述水电解工序而生成的氧气，前述燃料气包含通过前述水电解工序而生成的氢气，前述气化剂中的氧浓度为22体积％以上且40体积％以下。
<9>根据<8>所述的发电方法，其中，前述气体生成工序利用气体生成装置来进行，前述动力生成工序利用内燃机来进行，前述发电方法还具备：将通过前述水电解工序而生成的氧气供给至前述气体生成装置的供氧工序；以及将通过前述水电解工序而生成的氢气供给至前述内燃机的供氢工序。
<10>根据<8>或<9>所述的发电方法，其中，前述生物质为来自植物的生物质。
<11>根据<8>～<10>中任一项所述的发电方法，其中，前述来自植物的生物质包含木质系生物质、草本系生物质、植物残渣和食品残渣中的至少1种。
<12>根据<8>～<11>中任一项所述的生物质气化发电系统，其中，前述生物质中的水含量为10质量％以上。
<13>根据<8>～<11>中任一项所述的发电方法，其中，前述生物质中的水含量为10质量％以上且60质量％以下。
<14>根据<8>～<13>中任一项所述的发电方法，其中，前述燃料气中的氢浓度为15体积％以上且50体积％以下。
<15>根据<8>～<14>中任一项所述的发电方法，其使用<1>～<7>中任一项所述的生物质气化发电系统。
本发明的生物质气化发电系统是具备如下组成的发电系统：由生物质和气化剂生成可燃气体的气体生成装置(气体产生单元)；由包含利用气体生成装置而生成的可燃气体的燃料气来生成动力的内燃机；以及由利用内燃机产生的动力来生成电力的发电机。发电系统还具备通过水电解而生成氧气和氢气的水电解装置，气化剂包含利用水电解装置而生成的氧气，燃料气包含利用水电解装置而生成的氢气。气化剂中的氧浓度为22体积％以上且40体积％以下。
专利文献1所记载的热解气化系统中，为了将生物质制成最适合于气化的性状而需要以300℃以上的高温来进行碳化处理，为此，碳化装置是必须的。因此，专利文献1所记载的热解气化系统存在如下问题：在系统整体大型化或复杂化的基础上，因生物质的碳化耗费能量而导致能效不充分。与此相对，本发明的生物质气化发电系统设为如下构成：其包含利用水电解装置而生成的氧气来作为用于由生物质生成可燃气体的气化剂。由此，本发明的生物质气化发电系统并不需要碳化装置，能够将生物质稳定地气化，其结果，能够使系统整体小型化或简化。此外，本发明的生物质气化发电系统通过利用水电解来提高气化剂中的氧浓度，从而能够降低气化剂中的氮浓度，能够提高可燃气体的收率。此外，专利文献1所记载的热解气化系统中，由生成的可燃气体来生成动力，并利用所生成的动力来驱动发电机，但为了以发电系统的形式进行实用化而需要进一步提高动力。与此相对，本发明的生物质气化发电系统通过制成包含通过水电解而生成的氢气来作为用于生成动力的燃料气这一构成，从而能够提高用于驱动发电机的动力。此外，本发明的生物质气化发电系统通过包含利用水电解装置而生成的氧气来作为上述气化剂，从而能够高效地由生物质生成可燃气体，因此能够抑制例如焦油等副产物的产生。
此外，专利文献1中公开了：为了提高所生成的可燃气体的浓度，可以投入利用变压吸附装置(PSA)而生成的富氧空气。变压吸附装置是通过反复进行基于高压条件下的吸附剂吸附和基于低压条件下的脱附来进行氧气、氢气等规定气体的选择性回收的装置。因而，还可以考虑如专利文献1那样，为了提高可燃气体的浓度而利用变压吸附装置。然而，利用了变压吸附装置的系统为了进行上述气体的选择性回收而需要设置多个吸附槽或设置用于贮存利用吸附槽而取出的气体的缓冲罐，因此，存在难以应对小型化的问题。此外，利用了变压吸附装置(PSA)的系统需要准备选择性回收氧气的氧气用变压吸附装置和选择性回收氢气的氢气用变压吸附装置这两种，且还产生如下问题：不仅无法进一步应对小型化，且系统整体的成本、生产效率等也不充分。与此相对，本发明中，为了提高所生成的可燃气体的浓度而使用水电解装置，通过适当调整水电解槽的大小而能够应对水电解装置的小型化，因此，能够实现生物质气化发电系统整体的小型化。此外，本发明中，能够利用水电解装置来生成氧气和氢气体，无需对于氧气生成用途和氢气生成用途分别准备生成装置，因此，还具备成本、生产效率优异的优点。
本发明的生物质气化发电系统中，气化剂中的氧浓度为22体积％以上且40体积％以下。关于生物质气体与气化剂的反应，通常生物质气体中的烃因气化剂中的氧气而发生氧化反应，生成作为可燃气体的一氧化碳。因此，本发明的生物质气化发电系统中，若气化剂中的氧浓度为22体积％以上，则容易进行上述氧化反应，能够进一步提高可燃气体的收率。另一方面，若气化剂中的氧浓度达到40体积％以上，则生物质气体中的烃进一步发生氧化反应，容易生成作为不燃性气体的二氧化碳，可燃气体的收率容易降低。此外，若气化剂中的氧浓度为40体积％以下，则不易发生气体生成装置中的局部燃烧，能够实现稳定的气化。因此，本发明的生物质气化发电系统通过使气化剂中的氧浓度在上述范围内而能够提高可燃气体的收率，且能够进一步提高用于驱动发电机的动力。
本发明的生物质气化发电系统优选还具备：将利用水电解装置而生成的氧气供给至气体生成装置的供氧装置(供氧单元)、以及将利用水电解装置而生成的氢气供给至内燃机的供氢装置(供氢单元)。本发明的生物质气化发电系统通过分别具备供氧装置和供氢装置，从而能够将利用水电解装置而生成的氢气和氧气稳定地供给至气体生成装置和内燃机而各自不发生泄露，因此，能够进一步提高可燃气体的收率，且能够进一步提高用于驱动发电机的动力。
此外，分别具备供氧装置和供氢装置是指进行供氧的部分和进行供氢的部分相互独立，自不用说也包括两者在同一装置中独立配置的情况。
水电解装置优选利用通过太阳能发电、风力发电等可变电源而生成的电力来进行水电解。本发明的生物质气化发电系统利用水电解装置借助可变电源而生成的电力来进行水电解，由此能够抑制用于驱动水电解装置所需的来自外部的耗电量，因此，能够进一步提高生物质气化发电系统整体的能效。此外，利用本发明的生物质气化发电系统而生成的电力是可控的，因此，能够使用利用可变电源而生成的变动电力来生成控制电力。
生物质优选为来自植物的生物质。本发明的生物质气化发电系统中，若使用来自植物的生物质来作为生物质，则能够进一步提高可燃气体的收率。
生物质中的水含量优选为10质量％以上，而且优选为60质量％以下。若使用水含量大的生物质，则因水含量大而需要例如进一步提高使生物质和气化剂发生反应的反应体系的温度，进而，在反应体系中存在温度局部降低的风险。与此相对，本发明的生物质气化发电系统中，若生物质中的水含量为60质量％以下，则无需过度提高反应体系的温度，进而，温度不易局部降低而容易顺利地进行反应，因此，能够进一步提高系统整体的能效，且能够进一步提高可燃气体的收率。从容易顺利地进行上述反应的观点出发，优选生物质中的水含量较小，但用于尽可能减小生物质中的水含量的水分去除处理中需要复杂的处理工序。与此相对，本发明的生物质气化发电系统中，即使生物质中的水含量为10质量％以上，也能够充分且顺利地进行上述反应，能够进一步提高系统整体的能效，能够进一步提高可燃气体的收率。因此，生物质中的水含量为10质量％以上从无需复杂的处理工序、能够削减制造成本的观点出发是有利的。
本说明书中，生物质中的水含量通过下述式所示的湿量基准来计算。
水含量(质量％)＝X/Y×100
X：生物质中的水的质量
Y：生物质的质量
该水含量是即将投入至气体生成装置之前的值，在25℃下进行测定。
燃料气中的氢浓度优选为15体积％以上，而且优选为50体积％以下。本发明的生物质气化发电系统中，若燃料气中的氢浓度为15体积％以上，则能够进一步提高用于驱动发电机的动力。另一方面，若燃料气中的氢浓度为50体积％以下，则能够在内燃机中稳定燃烧。
本发明的发电方法包括下述工序：由生物质和气化剂生成可燃气体的气体生成工序；由包含通过气体生成工序而生成的可燃气体的燃料气来生成动力的动力生成工序；以及由通过动力生成工序产生的动力来生成电力的电力生成工序。发电方法还包括通过水电解来生成氧气和氢气的水电解工序，气化剂包含通过水电解工序而生成的氧气，燃料气包含通过水电解工序而生成的氢气，气化剂中的氧浓度为22体积％以上且40体积％以下。
此外，本说明书中，“工序”这一术语不仅包括独立的工序，即使在无法与其它工序明确区分的情况下，只要能够实现该工序的期望的作用，就包括在该术语内。
此外，只要没有特别记载，则本发明的发电方法与上述生物质气化发电系统的优选范围等相同。
本发明的发电方法通过制成包含通过水电解工序而生成的氧气作为用于由生物质生成可燃气体的气化剂的构成，就能够使生物质等稳定地气化。此外，本发明的生物质气化发电系统通过利用水电解来提高气化剂中的氧浓度，从而能够降低气化剂中的氮浓度，能够提高可燃气体的收率。其与在高温下对生物质等进行碳化处理的方法相比，能够抑制能量消耗量，因此能够提高系统整体的能效。进而，本发明的生物质气化发电系统通过制成包含通过水电解工序而生成的氢气作为用于生成动力的燃料气的构成，从而能够提高用于驱动发电机的动力。
本发明的发电方法中，气化剂中的氧浓度为22体积％以上且40体积％以下。本发明的发电方法中，若气化剂中的氧浓度为22体积％以上，则容易进行氧化反应，能够进一步提高可燃气体的收率。另一方面，本发明的发电方法中，若气化剂中的氧浓度为40体积％以下，则不易发生气体生成装置中的局部燃烧，能够实现稳定的气化。因此，本发明的发电方法通过使气化剂中的氧浓度在上述范围内，从而能够提高可燃气体的收率，且能够进一步提高用于驱动发电机的动力。
优选的是：气体生成工序通过气体生成装置来进行，且动力生成工序通过内燃机来进行。此外，发电方法优选还具备：将通过水电解工序而生成的氧气供给至气体生成装置的供氧工序；以及将通过水电解工序而生成的氢气供给至内燃机的供氢工序。本发明的发电方法通过分别具备供氧工序和供氢工序，从而能够将通过水电解工序而生成的氢气和氧气稳定地供给至气体生成装置和内燃机而各自不发生泄漏，因此，能够进一步提高可燃气体的收率，且能够进一步提高用于驱动发电机的动力。
水电解工序优选利用通过太阳能发电、风力发电等可变电源而生成的电力来进行水电解。本发明的发电方法中，水电解工序若利用借助可变电源而生成的电力来进行水电解，则能够抑制对于水电解而言必要的来自外部的电力，因此，能够进一步提高发电方法整体的能效。并且，利用该生物质气化发电系统而生成的电力是可控的，因此，能够使用借助可变电源而生成的变动电力来生成控制电力。
生物质优选为来自植物的生物质。本发明的发电方法中，若使用来自植物的生物质来作为生物质，则能够进一步提高可燃气体的收率。
生物质中的水含量优选为10质量％以上，而且优选为60质量％以下。本发明的发电方法中，若生物质中的水含量为60质量％以下，则无需过度提高反应体系的温度，进而，温度不易局部降低而容易顺利地进行反应，因此，能够进一步提高发电方法整体的能效，且能够进一步提高可燃气体的收率。从容易顺利地进行上述反应的观点出发，优选生物质中的水含量较小，但用于尽可能减小生物质中的水含量的水分去除处理中需要复杂的处理工序。与此相对，本发明的生物质气化发电系统中，即使生物质中的水含量为10质量％以上，也能够充分且顺利地进行上述反应，能够进一步提高系统整体的能效，能够进一步提高可燃气体的收率。因此，生物质中的水含量为10质量％以上从无需复杂的处理工序、能够削减制造成本的观点出发是有利的。
燃料气中的氢浓度优选为15体积％以上，而且优选为50体积％以下。本发明的发电方法中，若燃料气中的氢浓度为15体积％以上，则能够进一步提高用于电力生成工序的动力。另一方面，本发明的发电方法中，若燃料气中的氢浓度为50体积％以下，则能够在内燃机中稳定燃烧。
发电方法优选使用本发明的发电系统。
发明的效果
根据本发明，可提供在由生物质生成可燃气体时，能够提高可燃气体的收率，且能够进一步提高用于驱动发电机的动力的发电系统和发电方法。
附图说明
图1是表示本发明的生物质气化发电系统的构成的一例的示意图。
具体实施方式
以下，针对本具体实施方式(以下简称为“本实施方式”)进行说明。需要说明的是，以下的本实施方式是用于说明本发明的例示，本发明不仅限定于本实施方式。
[生物质气化发电系统1]
图1是表示本实施方式的生物质气化发电系统的构成的一例的示意图。图1所示的生物质气化发电系统1具备气体生成装置2、内燃机3、发电机4、水电解装置5、供氧装置6和供氢装置7。气体生成装置2由生物质和气化剂生成可燃气体。内燃机3由包含利用气体生成装置2而生成的可燃气体的燃料气来生成动力。发电机4由利用内燃机3产生的动力来生成电力。水电解装置5通过水电解而生成氧气和氢气。供氧装置6将利用水电解装置5而生成的氧气供给至气体生成装置2。供氢装置7将利用水电解装置5而生成的氢气供给至内燃机3。此外，本实施方式中，供氧装置6和供氢装置7是任意的构成要素。
(气体生成装置2)
作为气体生成装置2，只要能够由生物质和气化剂生成可燃气体，就没有特别限定。作为气体生成装置2的具体例，优选为气化炉。作为气化炉的形式，可列举出固定床形式、流化床形式、喷流床形式、旋转炉式等，从装置成本和小型化的观点出发，气化炉的形式优选为固定床形式。固定床形式通常被分类为：生物质和气化剂沿着同一方向流动的向下气流(down draft)式、以及生物质和气化剂沿着相反方向流通的向上气流(up draft)式，从不易在可燃气体中生成焦油等副产物的观点出发，固定床形式优选为向下气流式。
向下气流式的气化炉包含例如在炉内最上部形成的热解层、在热解层下形成的燃烧层、以及在燃烧层下形成的还原层。热解层中，在200～600℃的温度下，生物质被热解为甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢气、水、炭、焦油、灰分等。燃烧层中，在600～1300℃的温度下，炭、焦油、氢气、一氧化碳等被氧化成一氧化碳、二氧化碳、水等。还原层中，在600～800℃的温度下，通过炭与二氧化碳、水发生反应、或者甲烷与水发生反应，从而生成一氧化碳和氢气等可燃气体。
(内燃机3)
作为内燃机3，只要能够由包含利用气体生成装置2而生成的可燃气体的燃料气产生动力，就没有特别限定。作为内燃机3的具体例，可列举出燃气发动机、汽油发动机、柴油发动机、燃气涡轮等。内燃机3具备例如连接于发电机4的旋转部和用于使旋转部旋转的驱动轴。内燃机3将燃料气燃烧而产生的能量转换成驱动轴的旋转能量，旋转部进行旋转，由此发电机4发电。此外，内燃机3具备例如排气管线，内燃机3将燃料气燃烧而生成的排气从排气管线排出。
(发电机4)
作为发电机4，只要能够由利用内燃机3产生的动力来生成电力，就没有特别限定。发电机4与例如内燃机3的旋转部相连，通过在内燃机3内产生的旋转能量使旋转部旋转，由此发电。
(水电解装置5)
作为水电解装置5，只要是能够通过水电解而生成氧气和氢气的装置，就没有特别限定。水电解装置5可列举出例如以碱性水溶液作为电解质而进行水电解的碱性水电解装置、以离子交换膜作为电解质而进行水电解的固体高分子水电解装置等，这些装置可以使用例如市售的装置。这些之中，从生成效率的观点出发，优选为固体高分子水电解装置。固体高分子水电解装置例如可以具备：水电解槽、供水装置(供水单元)、供电装置(供电单元)、第一气液分离装置(第一气液分离单元)和第二气液分离装置(第二气液分离单元)。水电解槽例如可以具备：具有固体高分子电解质膜和在固体高分子电解质膜的两面形成的金属电极的水电解膜、以及被水电解膜隔开的阳极室和阴极室。供水装置例如将水供给至水电解槽中。供电装置例如将电力供给至水电解槽内的水电解膜的金属电极。第一气液分离装置将例如在水电解槽的阳极室中通过水的电解而生成的氧气与水的混合物分离成氧气和水。第二气液分离装置将例如在水电解槽的阴极室中通过水的电解而生成的氢气与水的混合物分离成氢气和纯水。固体高分子水电解装置为上述构成时，在水电解槽的阳极室内生成的氧气与水一同流入第一气液分离装置内，在第一气液分离装置的分离室内氧气与水分离并滞留在分离室的上部。另一方面，在水电解槽的阴极室内生成的氢气与水一同流入第二气液分离装置内，在第二气液分离装置的分离室内，氢气与水分离并滞留在分离室的上部。此处，利用各气液分离装置而与氧气或氢气分离的水滞留在各分离室的底部侧，借助排出阀而被排出。上述固体高分子水电解装置如此操作而能够从水中高纯度地提取氧气和氢气。
(供氧装置6)
作为供氧装置6，只要能够将利用水电解装置5而生成的氧气供给至气体生成装置2，就没有特别限定。供氧装置6可以具备例如连接水电解装置5与气体生成装置2并供给利用水电解装置5而生成的氧气的供给管。供氧装置6可以具备用于在前述供给管与水电解装置之间贮存氧气的罐。供氧装置6根据需要可以具备：设置在上述供给管的中途且用于开始或停止供氧的开关阀；设置在上述供给管的中途且用于测量氧气流量的流量计；以及用于基于该流量计的测量值来控制氧气流量的控制装置。
(供氢装置7)
作为供氢装置7，只要能够将利用水电解装置5而生成的氧气供给至内燃机3，就没有特别限定。供氢装置7可以具备例如连接水电解装置5与内燃机3并供给利用水电解装置5而生成的氢气的供给管。供氢装置7可以具备用于在上述供给管与水电解装置之间贮存氢气的罐。供氢装置7根据需要可以具备：设置在上述供给管的中途且用于开始或停止供氢的开关阀；设置在上述供给管的中途而用于测量氢气流量的流量计；以及用于基于该流量计的测量值而控制氢气流量的控制装置。
[发电方法]
本实施方式的发电方法使用例如图1所示的生物质气化发电系统(生物质气化发电装置)1来进行。但本实施方式的发电方法不限定于使用图1所示的生物质气化发电系统(生物质气化发电装置)1。本实施方式的发电方法包括气体生成工序、动力生成工序、电力生成工序、水电解工序、供氧工序和供氢工序。气体生成工序利用例如气体生成装置2由生物质和气化剂生成可燃气体。动力生成工序利用例如内燃机3由包含通过气体生成工序而生成的可燃气体的燃料气来生成动力。电力生成工序利用例如发电机4由通过动力生成工序产生的动力来生成电力。水电解工序利用例如水电解装置5而通过水电解来生成氧气和氢气。供氧工序利用例如供氧单元6，将通过水电解工序而生成的氧气供给至气体生成装置2。供氢工序利用例如供氢装置7，将通过水电解工序而生成的氢气供给至内燃机3。此外，本实施方式中，供氧工序和供氢工序是任选的构成要素。
本实施方式的发电方法首先在水电解工序中利用水电解装置5来生成氧气和氢气。接着，在供氧工序中，通过借助供氧装置6将生成的氧气供给至气体生成装置2，由此使用于由生物质生成可燃气体的气化剂中包含所生成的氧气。接着，在气体生成工序中，利用气体生成装置2，由生物质和气化剂生成可燃气体。接着，在供氢工序中，通过借助供氢装置7将生成的氢气供给至内燃机3，从而使燃料气中同时包含所生成的氢气和通过气体生成工序而生成的可燃气体。接着，在动力生成工序中，利用内燃机3由燃料气来生成动力。接着，在电力生成工序中，利用发电机4将由动力生成工序产生的动力生成为电力。
本实施方式的发电系统和发电方法通过制成在气化剂中包含利用水电解装置5(水电解工序)而生成的氧气的构成，从而能够提高利用气体生成装置2(气体生成工序)而生成的可燃气体的收率。此外，本实施方式的发电系统和发电方法通过利用水电解来提高气化剂中的氧浓度，从而将生物质等制成最适合于气化的性状，与在高温下对生物质等进行碳化处理的方法相比，能够抑制能量消耗量，因此，能够提高系统整体的能效。进而，本实施方式的发电系统和发电方法通过制成在燃料气中包含利用水电解装置5(水电解工序)而生成的氢气的构成，从而能够提高用于驱动发电机4的动力。
(生物质)
作为本实施方式的生物质气化发电系统中使用的生物质，可以广泛采用可再生的来自生物的有机性资源且除了化石资源之外的物质，可以是来自植物的生物质，也可以是来自动物的生物质，从进一步提高可燃气体的收率的观点出发，优选为来自植物的生物质。作为来自植物的生物质，可列举出例如杉树木屑、杉树树皮、白色粒料(white pellets)等木质系生物质；竹、稻壳、甘蔗渣、甜菜粕、麦秆、玉米秸、稻杆、木薯渣等草本系生物质；果皮等植物残渣；咖啡烘焙渣、茶渣、小麦糠等食品残渣等。
此外，生物质也可以分类为废弃物系生物质、未利用生物质和资源作物等。废弃物系生物质包括废纸、家畜***物、食品废弃物、建筑用木材、制材工厂残料、下水污泥等，未利用生物质包括稻杆/麦秆/稻壳等，资源作物包括甘蔗、玉米等出于能量或制造制品的目的而栽培的植物。
这些生物质可以单独使用1种，或者组合使用2种以上。
生物质中的水含量优选为10质量％以上，而且优选为60质量％以下。本实施方式的生物质气化发电系统和发电方法中，若生物质中的水含量为60质量％以下，则无需过度提高反应体系的温度，进而，温度不易局部降低，容易顺利地进行反应，因此，能够进一步提高系统整体或工序整体的能效，且能够进一步提高可燃气体的收率。从同样的观点出发，生物质中的水含量更优选为13质量％以上、进一步优选为15质量％以上。进而，生物质中的水含量更优选为50质量％以下、进一步优选为40质量％以下。
(气化剂)
本实施方式的气化剂包含利用水电解装置而生成的氧气，根据需要也可以包含来自外部的含氧气体。作为含氧气体，可列举出空气、富氧空气、纯氧等。气化剂是用于使生物质气化的制剂，可列举出例如氧气、空气或它们的混合物、或者向氧气、空气或它们的混合物中添加水蒸气而得的物质。尤其是，气化剂中，氧气、空气和水蒸气的总计优选占据气化剂的99体积％以上。
在上述供氧工序中，作为将通过水电解而生成的氧气供给至气体生成装置的方法，例如，可以将通过水电解而生成的氧气与来自外部的含氧气体同时供给至气体生成装置中，也可以将来自外部的含氧气体供给至气体生成装置，以氧浓度达到规定浓度的方式进行调整后，将通过水电解而生成的氧气供给至气体生成装置中。
气化剂中的氧浓度为22体积％以上且40体积％以下。本实施方式的生物质气化发电系统和发电方法中，若气化剂中的氧浓度为22体积％以上，则难以生成焦油等副产物，容易进行上述氧化反应，能够进一步提高可燃气体的收率。另一方面，若气化剂中的氧浓度为40体积％以下，则不易发生气体生成装置中的局部燃烧，能够实现稳定的气化。从同样的观点出发，气化剂中的氧浓度优选为24体积％以上、更优选为26体积％以上。此外，气化剂中的氧浓度优选为35体积％以下、更优选为30体积％以下。
此外，气化剂的氮浓度优选为76体积％以下、更优选为74体积％以下。通过设为这种构成，能够提高可燃气体的收率。此外，作为下限值，优选为65体积％以上、更优选为70体积％以上。通过制成这种构成，能够实现稳定的气化。
(燃料气)
本实施方式的燃料气包含利用气体生成装置而生成的可燃气体和利用水电解装置而生成的氢气。燃料气根据需要也可以供给来自外部的可燃气体。本说明书中，可燃气体是指在氧气的存在下具有可燃性的气体，可列举出一氧化碳和氢气。
燃料气中的氢浓度优选为15体积％以上，而且优选为50体积％以下。本发明的生物质气化发电系统和发电方法中，若燃料气中的氢浓度为15体积％以上，则能够进一步提高用于驱动发电机的动力。另一方面，若燃料气中的氢浓度为50体积％以下，则能够在内燃机中稳定燃烧。从同样的观点出发，燃料气中的氢浓度更优选为17体积％以上、进一步优选为19体积％以上。此外，燃料气中的氢浓度更优选为40体积％以下、进一步优选为30体积％以下。
本发明中，可以将燃料气中的可燃气体的含量(一氧化碳和氢气的总计量)设为32体积％以上，可以设为33体积％以上。作为上限，例如为50体积％以下，进而为40体积％以下。
(变形例)
在本实施方式的生物质气化发电系统中，水电解装置优选利用通过太阳能发电、风力发电等可变电源而产生的电力来进行水电解。此时，本实施方式的发电方法优选在水电解工序中利用通过太阳能发电、风力发电等可变电源而产生的电力来进行水电解。本实施方式的生物质气化发电系统和发电方法中，水电解装置(水电解工序)利用通过太阳能发电、风力发电等可变电源而产生的电力来进行水电解，由此能够抑制水电解所需的来自外部的电力消耗量，因此，能够进一步提高生物质气化发电系统整体或工序整体的能效。
实施例
以下，基于实施例更详细地说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。
[生物质气化发电系统的构成]
本实施例中，使用了图1的示意图所示的生物质气化发电系统1。作为水电解装置，使用了市售品(Kobelco Eco-Solutions Co.,Ltd.制品的“H2BOX”)。
[参考例1]
向具有10cm外径和60cm高度的向下气流型气化炉中供给按照湿量基准具有13质量％的水含量的杉树木屑。其后，将空气作为气化剂，以80L/分钟的供给速度供给至上述气化炉中，生成作为可燃气体的一氧化碳和氢气。气化剂中的氧浓度为21体积％。所生成的一氧化碳的生成量、氢气的生成量和二氧化碳的生成量相对于气体整体(气化剂与可燃气体的总计)分别为18.0体积％、13.0体积％和13.0体积％，可燃气体的生成量(一氧化碳和氢气的总生成量)为31.0体积％。需要说明的是，气化炉的温度为400～900℃。气体组成利用GC(气相色谱)进行测定。
[实施例1]
将以4L/分钟的供给速度供给在水电解装置(Kobelco Eco-Solutions Co.,Ltd.制品的“H2BOX”)中生成的氧气，且以80L/分钟的供给速度供给空气而得的物质作为气化剂，并供给至上述气化炉，除此之外，与参考例1同样操作，生成作为可燃气体的一氧化碳和氢气。气化剂中的氧浓度为24.8体积％。所生成的一氧化碳的生成量、氢气的生成量和二氧化碳的生成量相对于气化炉内的气体整体分别为21.8体积％、13.3体积％和13.6体积％，可燃气体的生成量(一氧化碳和氢气的总生成量)为35.1体积％。
[实施例2]
除了将氧气的供给速度设为8L/分钟来代替4L/分钟之外，与实施例1同样操作，生成作为可燃气体的一氧化碳和氢气。气化剂中的氧浓度为28.2体积％。所生成的一氧化碳的生成量、氢气的生成量和二氧化碳的生成量相对于气化炉内的气体整体分别为24.8体积％、13.6体积％和14.6体积％，可燃气体的生成量(一氧化碳和氢气的总生成量)为38.4体积％。
[实施例3]
代替参考例1的杉树木屑而供给按照湿量基准具有40质量％的水含量的杉树木屑，作为气化剂而以72L/分钟来供给空气、且以8L/分钟来供给氧气，除此之外，与实施例1同样操作，生成作为可燃气体的一氧化碳和氢气。气化剂中的氧浓度为27.9体积％。所生成的一氧化碳的生成量、氢气的生成量和二氧化碳的生成量相对于气化炉内的气体整体分别为18.4体积％、18.3体积％和17.1体积％，可燃气体的生成量(一氧化碳和氢气的总生成量)为36.7体积％。
[比较例1]
除了供给按照湿量基准具有40质量％的水含量的杉树木屑之外，与参考例1同样操作，想要生成作为可燃气体的一氧化碳和氢气，但因失火而无法继续气化。
[参考例2]
向具有10cm外径和60cm高度的向下气流型气化炉中供给按照湿量基准具有8质量％的水含量的木质粒料(白粒料)。其后，将空气作为气化剂，以80L/分钟的供给速度供给至上述气化炉中，生成作为可燃气体的一氧化碳和氢气。所生成的可燃气体的生成速度为120L/分钟，所生成的一氧化碳的生成量和氢气的生成量相对于气化炉内的气体整体分别为18.0体积％和13体积％。需要说明的是，气化炉的温度为400～900℃。
将上述可燃气体作为燃料气，供给至具有290cc排气量的燃气发动机中，生成动力。此时的燃料化剂中的氢浓度为13体积％。其结果，转速为1806rpm，扭矩为8.97Nm，动力(2π×扭矩×转速/60))为1.7kW。
[实施例4]
将借助供氢装置以13L/分钟的供给速度向与参考例2同样得到的可燃气体(120L/分钟、一氧化碳为18.0体积％、氢气为13体积％)中添加水电解装置(Kobelco Eco-Solutions Co.,Ltd.制品的“H2BOX”)中生成的氢气，将得到的燃料气(133L/分钟、一氧化碳为13.5体积％、氢气为19.5体积％)供给至上述燃气发动机，除此之外，与参考例2同样操作，生成动力。其结果，转速为1819rpm，扭矩为10.45Nm，动力为2.0kW。
附图标记说明
1…生物质气化发电系统、2…气体生成装置、3…内燃机、4…发电机、5…水电解装置、6…供氧装置、7…供氢装置。