JP2004186122A - 燃料電池発電装置とその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転の安定化を図り、さらに、設備コストやメンテナンスコスト等の低減を図った燃料電池発電装置とその運転制御方法を提供する。
【解決手段】汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガス（バイオガス）を原燃料とし、この原燃料を改質器３において水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池発電装置において、バイオガスの一部を一定量系外に分岐導出し一定量の空気と混合するガス混合器、例えばエゼクタ６６と、前記混合ガスを断熱的に燃焼させる燃焼器、例えば触媒燃焼器６７と、予め求めた燃焼器における断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関に基づいて、バイオガス中のメタンガス濃度を求め、この値に基づいて必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を演算し、前記両供給量を制御する供給流量演算装置１１とを備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガス（バイオガス）を原燃料とし、この原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池発電装置とその運転制御方法、特に、原燃料供給量および改質用水蒸気供給量の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は，都市ガスを原燃料とするケースが多いが、通常、都市ガスはドライであり、組成も基本的に安定しているので、都市ガスを原燃料に用いた燃料電池発電装置は、燃料電池発電装置の原燃料入口部における標準状態（０℃，１気圧状態）補正を行うだけで、発電に必要な適正な原燃料供給量を算出することが可能である。
【０００３】
しかしながら、原燃料にバイオガスを用いる燃料電池発電装置の場合には、発生するバイオガス中のメタン濃度が昼夜および季節によって逐次変化するため、供給されるバイオガス中のメタンガス成分の濃度を検出し、このメタン濃度に応じて、原燃料としてのバイオガス供給流量を調整する必要がある。この種の、原燃料にバイオガスを用いる燃料電池発電装置の構成は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
図３は、前記特許文献１の公報における図１として（図３においては、部番を一部変更）記載された燃料電池発電設備のシステム構成図である。図３の構成について、同公報の記載を概ね引用して、以下に述べる。
【０００５】
即ち、図３に示す燃料電池発電設備は、下水汚泥からメタン発酵処理により得られる消化ガスを導く原燃料供給配管１と、この原燃料供給配管１を通して供給される消化ガス中に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器２と、この脱硫器２により硫黄成分が除去された消化ガスを例えば水蒸気で触媒反応させることにより一酸化炭素と水素ガスに改質する改質器３と、この改質器３から出力される一酸化炭素および水素ガスのうち、被毒ガス成分となる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するために、当該一酸化炭素を例えば水蒸気などで触媒反応させて二酸化炭素と水素ガスに変成する変成器４と、燃料電池本体５とが設けられている。
【０００６】
この燃料電池本体５は、燃料極および空気極を有し、変成器４から出力される水素ガスＨ_２ に大気中の酸素Ｏ_２ を反応させて燃料極側から直流電力を取り出す構成を有しており、さらには当該直流電力を図示しないインバータにて交流電力に変換し出力する。
【０００７】
前記原燃料供給配管１には消化ガス中のガス濃度を検出する検出器６ａが設置されている。また、原燃料供給配管１の所要とする位置に燃料ガス入口遮断弁７および燃料ガス流量調整弁８が介在され、さらに前記改質器３の入力側に触媒を反応させるために例えば水蒸気を供給する水蒸気供給ライン９が設けられ、この水蒸気供給ライン９には水蒸気の流量を調整供給するための改質用蒸気流量調整弁１０が設置されている。
【０００８】
さらに、検出器６ａの出力側には消化ガスに含まれる所要のガス濃度を評価演算するガス濃度評価演算部１１ａが設けられている。このガス濃度評価演算部１１ａは、検出器６ａの出力である各種のガス濃度データを収集するガス濃度収集手段１２ａと、ガス濃度収集手段１２ａにより収集された消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度から総発電量を算出し、この総発電量から必要となる燃料ガス流量を決定し、燃料ガス流量調整弁８を調整する燃料流量演算手段１３ａと、この燃料流量演算手段１３ａによって決定される燃料ガス流量から改質用蒸気流量を決定し、改質用蒸気流量調整弁１０を調整する改質用蒸気流量演算手段１４ａと、被毒成分である一酸化炭素、硫黄、窒素、塩類、酸素等のうち少なくとも１つ以上の被毒成分濃度が許容範囲を越えたとき、燃料電池発電設備を構成する機器のうち必要な機器を停止させる設備停止手段１５ａとによって構成されている。
【０００９】
また、図３において、１６は水蒸気分離器であって、水から蒸気を分離し水蒸気供給ライン９に供給する。この蒸気を得る手段は、水蒸気分離器１６である必要はなく、従来周知の種々の方法によって得ることができる。１７ａは燃料電池本体５を構成する空気極から出力される排気を水に熱交換する熱交換機、１８ａはタンク、１９ａはポンプである。
【００１０】
以上は概ね、前記特許文献１の公報に記載された図３の説明であるが、燃料電池の水回収装置や純水装置など一部の系統は省略されており、また、燃料電池の冷却系統や排熱回収系統等、システムの細部構成については、種々の変形例がある。なお、前記改質用蒸気供給流量は、通常、原燃料供給量と所定のＳ／Ｃ（原燃料中の炭素原子に対する水蒸気のモル数比）とに基づき決定される。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−１２６６２９号公報（第４−５頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特許文献１のような原燃料にバイオガスを用いる燃料電池発電装置においては、下記のような問題点があった。
【００１３】
即ち、バイオガス中のメタンの成分濃度を検出する検出器やメタンガス分析計等のメタンガス濃度検出装置は一般に高価である。また、検出器の性能，精度を維持するためには、洗浄ビン，ガスクーラ等で、ガス中の水蒸気分を除去したドライガスを検出器に通流する必要があり、そのための設備、例えばガスを冷却する設備と、そのメンテナンスおよび動力が必要となり、経済性の観点から好ましくない問題がある。
【００１４】
さらに、メタンガス濃度分析の信頼性および精度を確保するためには、定期的に標準ガス（メタン濃度が正確なガス）を用いて校正する作業が必要となる問題もある。
【００１５】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、メタンガス濃度検出装置を用いることなしに、間接的にメタンガス濃度を計測し、この計測に基づき原燃料供給量を決定することにより、燃料電池の運転の安定化を図り、かつ、設備コストやメンテナンスコスト等の低減を図った燃料電池発電装置とその運転制御方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明においては、汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガス（バイオガス）を原燃料とし、この原燃料を改質器において水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池発電装置の運転制御方法において、前記改質器に供給するバイオガスの一部を、一定量系外に分岐導出し、この導出したバイオガスと一定量の空気とを混合して断熱的に燃焼させ、予め求めた断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関に基づいて、バイオガス中のメタンガス濃度を計測し、この計測値に基づいて、必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を決定し、前記両供給量を制御する（請求項１の発明）。
【００１７】
上記請求項１の発明によれば、メタンガス濃度検出装置を用いることなしに、バイオガスの断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関に基づいて、間接的にメタンガス濃度を計測し、この計測値に基づき原燃料供給量を決定することができるので、燃料電池の運転の安定化を図り、かつ、設備コストやメンテナンスコストの低減を図ることができる。
【００１８】
また、前記運転制御方法を実施するための装置としては、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガス（バイオガス）を原燃料とし、この原燃料を改質器において水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池発電装置において、前記バイオガスの一部を一定量系外に分岐導出し一定量の空気と混合するガス混合器と、前記混合ガスを断熱的に燃焼させる燃焼器と、予め求めた前記燃焼器における断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関に基づいて、バイオガス中のメタンガス濃度を求め、この値に基づいて必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を演算し、前記両供給量を制御する供給流量演算装置とをを備えるものとする。
【００１９】
前記請求項２の発明の実施態様としては、下記請求項３ないし４の発明が好ましい。即ち、請求項２に記載の燃料電池発電装置において、前記ガス混合器は、エゼクタとする（請求項３の発明）。
【００２０】
エゼクタを用いる場合の利点は、エゼクタの先細ノズル（閉塞ノズル）から送出される駆動ガスの質量流量が、エゼクタの入口圧力に比例する性質が利用できる点と、前記駆動ガスの質量流量に比例して外部から空気を吸引できる点にある。なお、エゼクタの代りに、バイオガスおよび空気を一定流量送出できる機器、例えばマスフローコントローラとブロワの組合せ等を用いることもできる。
【００２１】
また、前記請求項２または３に記載の燃料電池発電装置において、前記燃焼器は、触媒燃焼器とする（請求項４の発明）。前記触媒燃焼器は、構造がシンプルである利点があるが、バーナを用いた燃焼を利用することもできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００２３】
図１は、この発明に関わる実施例を示すシステム系統図であり、図３に示すシステムと同じ機能を有する部材には同一番号を付して詳細説明を省略する。また、図１においては、図３に示したシステム系統の内、燃料電池冷却水系（図３における１７ａ，１８ａ，１９ａ等の系統）を一部変更して示す。
【００２４】
図１と図３との基本的相違点は、図１においては、燃料電池発電装置パッケージ２０にバイオガスを供給する原燃料供給配管１より分岐されたバイオガス中のメタンガス濃度を検出するための混合器および燃焼器を含むメタンガス濃度検出ライン７０以降の系統と、メタンガス濃度検出結果に基づいて、必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を演算し、前記両供給量を制御する供給流量演算装置１１とを備える点である。
【００２５】
図１のシステム構成の詳細と動作について、以下に述べる。バイオガス中のメタンガス濃度検出ライン７０と、当該ガスを加圧するコンプレッサ６９およびコンプレッサから送出されたバイオガスの圧力（エゼクタ６６の入口圧６３）を一定に保つ圧力調節弁６２により、エゼクタ６６を通過するバイオガスの質量流量Ｑ_Ｂ［ｋｇ／ｈ］が一定に保たれる。エゼクタ６６はバイオガスを駆動流体として、流量調節弁６４を介して外部から一定流量の空気を吸引のうえ、触媒燃焼器６７に導入する。空気と混合されたバイオガスは、バイオガス中のメタン濃度に応じた温度で燃焼し、燃焼温度計６８により燃焼温度が検出され、燃焼排ガスは外部に排出される。なお、６５は空気流量計である。
【００２６】
供給流量演算装置１１は、バイオガス温度計７１およびバイオガス圧力計７２の測定値から、バイオガス流量計７３の測定値を温度・圧力補正するとともに、前述のバイオガス燃焼温度からバイオガス中のメタン濃度を算出した上で、燃料電池発電装置パッケージ２０内の主要機器の状態および設定値に基づき、必要原燃料流量を原燃料流量演算部１３により算出し、この算出した設定原燃料流量から必要改質用水蒸気流量を改質用水蒸気流量演算部１４により算出する機能を有する。
【００２７】
上記実施例によれば、バイオガス中に含まれるメタン濃度を、高価で煩雑なメンテナンスが必要なメタンガス濃度検出装置を装備することなく計測でき、さらにこの計測値に基づき、適切な原燃料流量を演算することで、発電装置の出力に応じた原燃料流量および燃料の改質に必要な改質用水蒸気量を正確に制御し、燃料電池発電装置の運転安定化を図ることが可能となる。
【００２８】
なお、図１の実施例において、燃料電池発電装置パッケージ２０内の原燃料供給配管１には、燃料ガス入口遮断弁７および燃料ガス流量調整弁８が具備され、さらに改質器３の入口に水蒸気改質反応を生じさせる水蒸気を供給する配管および水蒸気流量を調整供給するための改質用水蒸気流量調整弁１０が設置されている。
【００２９】
さらに、図１において、１６は水蒸気分離器であって、燃料電池冷却水である加圧水から蒸気を分離し改質用水蒸気流量調整弁１０を介して前記改質器３に供給する。また、改質用水蒸気として消費された燃料電池冷却水に相当する量の水は、電池冷却水補給ポンプ２１を介してイオン交換樹脂２２を通過した純水が補給される。１７はポンプ、１８は燃料電池本体５で生じる発熱の内、改質用水蒸気の発生等に用いた熱量を差引いた余剰の排熱をユーザーに供給する熱交換器、１９はユーザーに排熱を供給する高温排熱水配管である。
【００３０】
次に、図２について説明する。図２は、断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関を示し、固定された質量流量のバイオガス（水蒸気濃度＝５ｖｏｌ％）を固定された流量の空気で燃焼した場合の断熱燃焼温度℃（図中□印でプロット）をバイオガス中のメタン濃度％の変化に対して示した図である。
【００３１】
前述のように、バイオガス流量および燃焼空気流量は、固定流量とする。そのため、バイオガス中のメタン濃度の変化によって空燃比（図中○印でプロット）が変化する。前記バイオガス中のメタン濃度％および空燃比の変化により、断熱燃焼温度も図２のように変化する。このような断熱燃焼温度（もしくは断熱燃焼温度と一定の関係にある燃焼体近傍の温度）と、バイオガス中のメタン濃度％との相関から、バイオガス中のメタン濃度を計測することが可能となる。
【００３２】
この計測値に基づいて、必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を決定し、前記両供給量を制御することができる。
【００３３】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガス（バイオガス）を原燃料とし、この原燃料を改質器において水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池発電装置において、前記バイオガスの一部を一定量系外に分岐導出し一定量の空気と混合するガス混合器と、前記混合ガスを断熱的に燃焼させる燃焼器と、予め求めた前記燃焼器における断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関に基づいて、バイオガス中のメタンガス濃度を求め、この値に基づいて必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を演算し、前記両供給量を制御する供給流量演算装置とを備えるものとし、
メタンガス濃度検出装置を用いることなしに、バイオガスの断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関に基づいて、間接的にメタンガス濃度を計測し、この計測値に基づいて、必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を演算し、前記両供給量を制御することとしたので、
燃料電池の運転の安定化を図り、さらに、設備コストやメンテナンスコスト等の低減を図った燃料電池発電装置とその運転制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池発電装置の実施例に関わるシステム系統図
【図２】断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関を示す図
【図３】従来の燃料電池発電装置の一例を示すシステム系統図
【符号の説明】
１：原燃料供給配管、２：脱硫器、３：改質器、４：変成器、５：燃料電池本体、８：燃料ガス流量調整弁、９：バイオガス発生部、１０：水蒸気流量調整弁、１１：供給流量演算装置、１３：原燃料流量演算部、１４：改質蒸気流量演算部、１６：水蒸気分離器、２０：燃料電池発電装置パッケージ、６２：圧力調節弁、６３：エゼクタの入口圧、６４：流量調節弁、６６：エゼクタ、６７：触媒燃焼器、６８：燃焼温度、６９：コンプレッサ、７０：メタンガス濃度検出ライン、７１：バイオガス温度計、７２：バイオガス圧力計、７３：バイオガス流量計。

Claims (4)

1. 汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガス（バイオガス）を原燃料とし、この原燃料を改質器において水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池発電装置の運転制御方法において、
   前記改質器に供給するバイオガスの一部を、一定量系外に分岐導出し、この導出したバイオガスと一定量の空気とを混合して断熱的に燃焼させ、予め求めた断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関に基づいて、バイオガス中のメタンガス濃度を計測し、この計測値に基づいて、必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を決定し、前記両供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電装置の運転制御方法。
2. 汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガス（バイオガス）を原燃料とし、この原燃料を改質器において水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池発電装置において、
   前記バイオガスの一部を一定量系外に分岐導出し一定量の空気と混合するガス混合器と、前記混合ガスを断熱的に燃焼させる燃焼器と、予め求めた前記燃焼器における断熱燃焼温度とバイオガス中のメタンガス濃度との相関に基づいて、バイオガス中のメタンガス濃度を求め、この値に基づいて必要な原燃料供給量および改質用水蒸気供給量を演算し、前記両供給量を制御する供給流量演算装置とを備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 請求項２に記載の燃料電池発電装置において、前記ガス混合器は、エゼクタとすることを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池発電装置において、前記燃焼器は、触媒燃焼器とすることを特徴とする燃料電池発電装置。

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