JP2006147265A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【目的】原燃料供給系統に備えたガスホルダー３，４を切換えて使用しても、ガス濃度の急激な変動を生じることなく、安定して燃料ガスが供給される燃料電池発電装置を得る。
【構成】メタン発酵槽１で得られたガスを脱硫器２において脱硫し、得られたガスを2個のガスホルダー３，４に貯蔵し、遮断弁５，７の操作によって燃料電池本体９へと送る原燃料を切換えて用いるものにおいて、ガスホルダー３，４と燃料電池本体９との間に、各ガスホルダー３，４から送られるガスを互いに混合させるバッファータンク１０を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原燃料供給系統に切換えて使用する少なくとも２個以上のガス収納容器を備える燃料電池発電装置に係り、特に、ガス収納容器を切換えても燃料電池スタックに異常を生じることなく安定して運転が継続できる燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置は、都市ガス、ＬＰＧガス、メタン発酵ガス等のバイオガスなどの炭化水素ガスを原燃料とし、これを水蒸気と反応させて水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給して電気化学反応により電気エネルギーを取出す装置であり、このとき、電気化学反応に必要な燃料ガスと酸化剤ガスの流量は燃料電池スタックから取出される電流値に比例する。燃料電池発電装置に上記の原燃料を連続的に供給できる母管が備わっていない場合や、バイオガスやＬＰＧガスを原燃料とする燃料電池発電装置の場合には、ガスホルダーやガスタンク等のガス収納容器を備えて、このガス収納容器から燃料電池スタックへ供給する構成が一般に採られており、さらに安定して連続供給できるように、複数のガス収納容器を備え、ガス収納容器の残量に応じて使用容器を切換える運転方法が採られている。また、原燃料として上記のメタン発酵ガスのごときバイオガスを用いる場合には、メタン発酵槽で作られるガスが微生物反応により作られるので、ガス中のメタン濃度が変動する。このため、特許文献１に開示された方法においては、メタン濃度が変動しても運転の継続を可能とする制御方法が採られている。

図７は、メタン発酵槽で作られるバイオガスを原燃料として用いる従来の燃料電池発電装置の燃料ガス供給系統の構成例を示すフロー図である。本図は、２個のガス収納容器を備えた燃料電池発電装置の燃料ガス供給系統を示したもので、１はメタン発酵槽、２は脱硫器、３と４は、ガス収納容器として機能するガスホルダーであり、９は燃料電池スタックである。本発電装置においては、メタン発酵槽１で生じたメタンを多量に含むバイオガスが、脱硫器２において脱硫されたのち、２個のガスホルダー３，４へ送られ、一旦収納蓄積される。燃料電池発電装置の運転の際には、２個の遮断弁のうちの一方、例えば遮断弁５を開状態とすることによって、ガスホルダー３に収納されたバイオガスを燃料電池スタック９へと送り、電気化学反応によって発電が行われる。このとき、燃料電池スタック９で消費されるガス量に比べてメタン発酵槽１で発生するガス量が少ないと、ガスホルダー３に収納されたバイオガスの蓄積量が減少していくので、バイオガスの蓄積量をガス残量計６により測定し、所定値より低下した場合には、もう一方のガスホルダー４につながる遮断弁７を開状態として、ガスホルダー４から燃料電池スタック９へバイオガスを供給して発電運転が継続される。

なお、この種の燃料電池発電装置においては、原燃料を改質して得られる水素の量は炭化水素の組成によって異なるので、使用する原燃料の種類によって原燃料の流量の設定値を決める必要がある。また、上記のメタン発酵ガス等のバイオガスを用いる場合には、原燃料の組成が変動するので、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、その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。この種の燃料電池発電装置の燃料ガス供給系統には、例えば特許文献２や特許文献３に開示されている構成のものがある。
特願２００３−１２７３０４号公報 特開平１１−１２６６２９号公報 特開２０００−９０９５３号公報

上述のごとく、原燃料としてメタン発酵ガス等のバイオガスを用いる燃料電池発電装置においては、図７のごとく、原燃料供給系統に少なくとも２個以上のガス収納容器を備え、これらを切換えて使用することによって連続運転を可能とする方式が採られている。しかしながら、このように複数のガス収納容器を切換えて使用する場合、ガス収納容器に収納されたガスのメタンガス濃度は、それぞれのガス収納容器への導入、収納時期によって差があるので、ガス収納容器を切換えると燃料電池スタックへ送られるガスのメタンガス濃度が急激に変動することとなる。
例えば、ガス収納容器の切換えによって瞬時の間にメタン濃度が急低下し、原燃料の発熱量が急激に低下した場合には、分析計によってメタンガス濃度を測定して改質器の温度制御を行っていたとしても、分析計の分析の時間遅れがあるために十分に応答しきれず、また、上記の特許文献１のごとき制御方法を用いて運転していても、濃度が急激に低下するがために応答しきれず、改質器から燃料電池スタックへ供給される水素量が低下して、水素不足、いわゆるガス欠を生じる危険性がある。このようにガス欠を生じると、電気化学反応に必要な水素量が不足して、燃料電池セルに損傷を与えることとなる。また、電気化学反応に寄与したのち燃料電池スタックより排出されるオフガスは、改質器のバーナーに送られて燃焼され、改質器の加熱に利用されるが、ガス欠を生じると改質器のバーナーの加熱量が低下し、改質器の温度が運転継続可能な温度範囲を下回る可能性がある。

一方、ガス収納容器の切換えによって瞬時の間にメタン濃度が急上昇し、原燃料の発熱量が急激に増加した場合には、上記のメタン濃度が急低下した場合と同様に、分析計によってメタンガス濃度を測定して改質器の温度制御を行っていたとしても、また、上記の特許文献１のごとき制御方法を用いて運転していても、濃度変化が急上昇のため応答しきれず、増大した水素は発電に使用されないまま放出されるので、発電効率が低下することとなる。また、燃焼加熱用として改質器のバーナーに送られる燃料電池スタックのオフガスの水素量が過剰となるので、改質器のバーナーの加熱量が増大し、改質器の温度が上昇して運転継続可能な温度範囲を超える可能性がある。
改質器の温度は、通常、改質器触媒槽を経て燃料電池スタックへと通流される原燃料の流量の増減と、燃料電池スタックから改質器のバーナーに送られるオフガスの流量の増減とによって制御されるが、オフガスを燃焼するには燃焼用の空気が必要であるので、原燃料の流量は、この燃焼用空気を供給するブロアの供給能力の上限値により制限される上限値と、燃料電池スタックにおいて水素不足を生じない原燃料の流量の下限値により規定される下限値との間の流量に制限される。したがって、原燃料の組成を制御系にフィードバックするように構成していない装置においては、原燃料の組成変動が過大になると、発熱量の変動が制御可能領域を超えて改質器の温度制御ができなくなる。なお、原燃料の一部を助燃焼ガスとして直接改質器のバーナーに送り、この流量を増減させることによって改質器の温度を制御する方式を用いるものもあるが、本方式においても、改質器のバーナーに直接供給できる原燃料の流量には上限があるので、原燃料の組成変動が過大な場合には改質器の温度制御ができなくなる。

図８は、図７のごとく構成された従来の燃料電池発電装置においてガス容器を切換えた時の特性、すなわち、遮断弁５，７を切換えることによって、燃料電池スタック９へ供給する燃料ガスをガスホルダー３に収納されたメタン濃度の相対的に高いガスからガスホルダー４に収納されたメタン濃度の相対的に低いガスへと切換えて運転したときの燃料電池スタック９の入口におけるメタン濃度と改質器の温度の挙動を示す特性図である。本図において、特性Ａは、燃料電池スタック９の入口におけるガスのメタン濃度、特性Ｂは、本燃料電池発電装置を運転制御する上での設定メタン濃度であり、特性Ｃは、本燃料電池発電装置の改質器の触媒槽温度、特性Ｄは、この改質器の触媒槽運転可能下限温度である。本特性図に見られるように、ガス容器の切換えとともに、燃料電池スタック９へと供給される燃料ガスのメタン濃度（特性Ａ）が図中にΔで表示したごとく急激に低下している。この変化に伴って運転制御上の設定メタン濃度が特性Ｂのごとく設定されているが、実際のメタン濃度の変化が急激すぎるために運転制御上の設定メタン濃度に遅れが生じて、改質器の触媒槽温度（特性Ｃ）の制御が不可能となり、触媒槽運転可能下限温度（特性Ｄ）を下回って制御不能となっている。

また、改質器のバーナーに供給される燃焼用空気は、発電運転に寄与したのち燃料電池スタックより排出される燃料極オフガスの含有する水素量に見合った量の酸素を保有する必要があるので、原燃料の組成が変化すると必要となる燃焼用空気量も変化する。したがって、図７のごとく燃料電池スタック９へ供給する燃料ガスのガス容器を切換えて運転する場合には、原燃料の組成が不明であるがために、最適な燃焼用空気量の制御が行えず、空気不足となって不完全燃焼となったり、あるいは空気の供給が多量になって動力損失が過大となったりする等の問題点がある。
以上述べたように、原燃料供給系統に切換えて使用する複数のガス容器を有する燃料電池発電装置においては、ガス容器の切換えに際して生じるガス濃度の変動に伴って、種々の不具合を生じる可能性がある。これらの難点を回避するには、原燃料の組成をできるだけ高速で測定・分析し、その結果をフィードバックして改質器への原燃料供給量と燃焼用空気量を定めることによって、燃料電池における水素不足を防止し、燃料を有効利用して発電効率を向上し、改質器の適正な温度制御と改質器バーナーにおけるオフガスの適正な燃焼を行うことが望ましい。しかしながら、このような機能を備えたシステムを構成すると、原燃料の組成を随時高速で測定・分析するためには信頼性の高い高性能の装置が必要となるので装置が高価になるという問題点があり、かつ、定期的に較正を行う必要があるためメンテナンスの費用も嵩む。したがって、このような機能を備えたシステムを実用に供するには種々の課題を解決する必要である。

本発明は、以上のごとき従来技術の問題点を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、原燃料供給系統に切換えて使用する少なくとも２個以上のガス収納容器を有する燃料電池発電装置において、ガス収納容器の切換えに伴って供給される原燃料のガス濃度が急激に変動する事態が生じても、原燃料の高速組成分析等の措置を講じることなく安定して発電運転を継続することができる燃料電池発電装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、
（１）原燃料を燃料ガスに改質して燃料電池本体へと供給する原燃料供給系統に切換えて使用する少なくとも２個以上のガス収納容器を有する燃料電池発電装置において、これらのガス収納容器と燃料電池本体との間に、各ガス収納容器から供給される原燃料を互いに混合させるバッファータンクを備えることとする。
（２）上記の（１）において、上記のバッファータンクを、容積が1時間に流れる原燃料量の1/100以上、1/2以下で、断面積Ｓ（m²）と長さＬ（m）との比Ｓ／Ｌ（ｍ）が少なくとも 0.2 以上である筒状容器より構成することとする。
（３）また、上記の（１）、または（２）において、上記のバッファータンクの内部に、各ガス収納容器から供給された原燃料の混合を促進する原燃料混合促進手段、例えば、上記のバッファータンクの長さ方向の中心軸から径方向へと噴出する二つ以上の噴出口を備えて構成される原燃料混合促進手段、あるいは、上記のバッファータンクの長さ方向と略直交する方向へと偏心して噴出する噴出口を備えて構成される原燃料混合促進手段を備えることとする。

上記の（１）のごとく、原燃料供給系統に切換えて使用する少なくとも２個以上のガス収納容器を有する燃料電池発電装置に、各ガス収納容器から供給される原燃料を互いに混合させるバッファータンクを備えることとすれば、各ガス収納容器から供給される原燃料のガス濃度、例えばメタンガス濃度に差異があっても、切換え時にはバッファータンクで混合されたのち供給されるので、得られる原燃料のガス濃度が急激に変化することはなく、当初の原燃料のガス濃度から切換え後の原燃料のガス濃度へと連続的に変化する。したがって、ガス収納容器の切換えに伴って供給される原燃料のガス濃度が急激に変動する事態が生じても、従来例で示したごとき制御不能に陥ることはなく、燃料電池発電装置は安定して発電運転を継続することができる。
また、上記の（２）のごとく、バッファータンクを構成する筒状容器の容積を1時間に流れる原燃料量の1/100以上とすれば、バッファータンクの内部での流速が過大となるのが回避されて、効果的に混合される。また、1/2以下とすれば、所要設置スペースが抑えられるのでコンパクトに構成することができる。さらに、この筒状容器の断面積Ｓ（m²）と長さＬ（m）との比Ｓ／Ｌ（ｍ）を少なくとも 0.2 以上とすれば、筒状容器内部での原燃料の流れは押し出し流れとはならず、広がりをもつ流れとなるので、当初の原燃料と切換え後の原燃料との混合が効果的に行われる。

また、上記の（３）のごとく、バッファータンクの内部に、バッファータンクの長さ方向の中心軸から径方向へと噴出する二つ以上の噴出口を備えて構成される原燃料混合促進手段や、バッファータンクの長さ方向と略直交する方向へと偏心して噴出する噴出口を備えて構成される原燃料混合促進手段等を備えれば、当初の原燃料と切換え後の原燃料との混合がより効果的に行われる。したがって、ガス収納容器の切換えに伴って供給される原燃料のガス濃度が急激に変動しても、燃料電池発電装置は安定して発電運転を継続することができる。

本発明の燃料電池発電装置の最良の実施形態は、
原燃料を燃料ガスに改質して燃料電池本体へと供給する原燃料供給系統に、切換えて使用する少なくとも２個以上のガス収納容器を有する燃料電池発電装置において、これらのガス収納容器と燃料電池本体との間に、各ガス収納容器から供給される原燃料を互いに混合させるバッファータンクを備えた形態にある。

図1は、本発明の燃料電池発電装置の第1の実施例の構成を示すフロー図である。本図においては、図7に示した従来例の燃料電池発電装置で用いられている構成要素と同一機能を有する構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図1に示した本実施例の特徴は、ガス収納容器３、４と燃料電池スタック９との間の遮断弁５，７の下流側に、ガス収納容器３から供給されるガスとガス収納容器４から供給されるガスとを混合させるためのバッファータンク１０が備えられていることにある。本実施例に用いられているバッファータンク１０は、最大供給流量を 50 （ｍ^３／ｈ）と想定して容積を定め、ガスの混合が効果的に行われるように断面積Ｓ（ｍ^２）と長さＬ（ｍ）との比を定めて構成されたもので、図2に示したように、両端部にガス導入管３２とガス排出管３３を備えた断面積が 0.5（ｍ^２）、長さが 1（ｍ）、したがってＳ／Ｌ比が0.5（ｍ）で、容積が 1 （ｍ^３／ｈ）の円筒状容器である。

図３は、本実施例の構成の燃料電池発電装置においてガス容器をメタン濃度の高いガスから低いガスへと切換えた時のメタン濃度と改質器の温度の挙動を示す特性図で、図8に示した従来例の場合と同様に、切換えて用いられるガスのメタン濃度に大きな差がある場合の挙動を示したものである。図８と同様に、図３においても、特性Ａは、燃料電池スタック９の入口におけるガスのメタン濃度、特性Ｂは、本燃料電池発電装置を運転制御する上での設定メタン濃度であり、特性Ｃは、本燃料電池発電装置の改質器の触媒槽温度、特性Ｄは、この改質器の触媒槽運転可能下限温度である。
既に述べたように、従来構成では、ガス容器の切換えとともに燃料電池スタック９へと供給される燃料ガスのメタン濃度が急激に低下するため、運転制御上の設定メタン濃度に遅れが生じ、改質器の触媒槽温度が運転可能下限温度を下回って制御不能となっていたが、本実施例の構成においては、二つのガス容器３，４から供給されたガスがバッファータンク１０の中で効果的に混合されるので、燃料電池スタック９の入口へと送られるガスのメタン濃度は、図３の特性Ａに示したように、ゆっくりと連続的に変化することとなる。したがって、特性Ｂに示した本燃料電池発電装置を運転制御する上での設定メタン濃度に応答して運転でき、改質器の触媒槽温度を運転可能下限温度以下に低下させることなく安定して運転することができる。

図４は、本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例に組み込まれたバッファータンクの構成を示す横断面図である。本構成では、バッファータンク１０の内部のガス導入管３２の先端部３５に外方向に開口する多数の噴出口が備えられており、ガス導入管３２によって導入されたガスは多数の前記の噴出口を通してバッファータンク１０の内部に噴出される。したがって、当初の原燃料と切換え後の原燃料との混合がより効果的に行われる。したがって、ガス収納容器の切換えに伴って供給される原燃料のガス濃度が急激に変動しても、燃料電池発電装置は安定して発電運転を継続することができる。
図５（ａ）は、図４に示した本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例に組み込まれたバッファータンクの構成の類似例を示す横断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の先端部３５の端面図である。本構成では、バッファータンク１０の内部に配置されたガス導入管３２の先端部３５に、外方向に開口する4本の噴出管３７が設置されており、導入されたガスは、この噴出管３７によってバッファータンク１０の内部に径方向に噴出される。

図6（ａ）は、本発明の燃料電池発電装置の第３の実施例に組み込まれたバッファータンクの構成例を示す外観図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のガス導入管３２、ガス排出管３３の取り付け状態を示す断面図である。図に見られるように、本バッファータンク１０は円筒状の容器からなり、長手方向の両端近傍に、ガス導入管３２とガス排出管３３が偏心して取り付けられている。すなわち、ガス導入管３２は導入したガスが円筒状の容器の内壁面に沿って流れるように組み込まれており、また、円筒状の容器の内壁面に沿って流れたガスがガス排出管３３に流れるよう構成されている。従って本構成においても、当初の原燃料と切換え後の原燃料がより効果的に混合されることとなる。

以上述べたように、原燃料供給系統に切換えて使用する少なくとも２個以上のガス収納容器を有する燃料電池発電装置において、本発明のごとく、これらのガス収納容器と燃料電池本体との間に各ガス収納容器から供給される原燃料を互いに混合させるバッファータンクを備えることとすれば、各ガス収納容器から供給される原燃料のガス濃度に差異があっても、切換え時にはバッファータンクで混合されたのち供給されるので、得られる原燃料のガス濃度の急激な変化を生じることなく、燃料電池発電装置は安定して発電運転を継続することが可能となる。したがって、本発明は、この種の燃料電池発電装置に効果的に適用されるものと期待される。

本発明の燃料電池発電装置の第1の実施例の構成を示すフロー図 第1の実施例の燃料電池発電装置に組み込まれたバッファータンクの外形図 第1の実施例の構成の燃料電池発電装置においてガス容器をメタン濃度の高いガスから低いガスへと切換えた時のメタン濃度と改質器の温度の挙動を示す特性図 本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例に組み込まれたバッファータンクの構成を示す横断面図 （ａ）は、図４に示した本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例に組み込まれたバッファータンクの構成の類似例を示す横断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の先端部３５の端面図 6（ａ）は、本発明の燃料電池発電装置の第３の実施例に組み込まれたバッファータンクの構成例を示す外観図であり、（ｂ）は図６（ａ）のガス導入管３２、ガス排出管３３の取り付け状態を示す断面図 バイオガスを原燃料として用いる従来の燃料電池発電装置の構成例を示すフロー図 図７のごとく構成された従来の燃料電池発電装置におけるガス容器を切換えた時のメタン濃度と改質器の温度の挙動を示す特性図

符号の説明

１ メタン発酵槽
２ 脱硫器
３ ガス収納容器
４ ガス収納容器
５ 遮断弁
６ ガス残量計
７ 遮断弁
８ ガス残量計
９ 燃料電池スタック
１０ バッファータンク
３２ ガス導入管
３３ ガス排出管

Claims (5)

1. 原燃料を燃料ガスに改質して燃料電池本体へと供給する原燃料供給系統に、切換えて使用する少なくとも２個以上のガス収納容器を有し、かつ、これらのガス収納容器と燃料電池本体との間に、各ガス収納容器から供給される原燃料を互いに混合させるバッファータンクが備えられていることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記のバッファータンクが、容積が１時間に流れる原燃料量の1/100以上、1/2以下で、断面積Ｓ（m²）と長さＬ（m）との比Ｓ／Ｌ（ｍ）が少なくとも0.2 以上である筒状容器より構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記バッファータンクの内部に、各ガス収納容器から供給された原燃料の混合を促進する原燃料混合促進手段が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記の原燃料混合促進手段が、ガス収納容器から供給された原燃料を前記バッファータンクの長さ方向の中心軸から径方向へと噴出する二つ以上の噴出口を備えて構成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記の原燃料混合促進手段が、ガス収納容器から供給された原燃料を前記バッファータンクの長さ方向と略直交する方向へと偏心して噴出する噴出口を備えて構成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。

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