JP3103332B2 - 燃料電池発電設備 - Google Patents
燃料電池発電設備Info
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- JP3103332B2 JP3103332B2 JP09291060A JP29106097A JP3103332B2 JP 3103332 B2 JP3103332 B2 JP 3103332B2 JP 09291060 A JP09291060 A JP 09291060A JP 29106097 A JP29106097 A JP 29106097A JP 3103332 B2 JP3103332 B2 JP 3103332B2
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明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燃料として発電する
燃料電池発電設備に関する。
発酵処理により得られる消化ガスを燃料として発電する
燃料電池発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、実用化が進められている燃料電池
発電設備は、燃料ガスとして都市ガス（１３Ａガス）を
使用することが一般的であるが、一部にはナフサやＬＰ
ガスを燃料ガスとする例もある。
発電設備は、燃料ガスとして都市ガス（１３Ａガス）を
使用することが一般的であるが、一部にはナフサやＬＰ
ガスを燃料ガスとする例もある。
【０００３】これらの燃料ガスは、運転中でのガス濃度
の変動が少なく、また発電に寄与しないガスや燃料電池
発電設備内の各機器の被毒ガスの含有量も微少であるこ
とから、運転中に供給される燃料ガスの濃度分析は実施
しておらず、予め決定された燃料ガス濃度によって運転
されている。
の変動が少なく、また発電に寄与しないガスや燃料電池
発電設備内の各機器の被毒ガスの含有量も微少であるこ
とから、運転中に供給される燃料ガスの濃度分析は実施
しておらず、予め決定された燃料ガス濃度によって運転
されている。
【０００４】従って、以上のような都市ガス（１３Ａガ
ス）、ナフサ、ＬＰガスを燃料ガスとして使用する場合
には、ガス濃度の安定性などの観点から特に問題はな
い。ところで、近年、省エネルギー化や汚泥の有効活用
などの観点から、下水汚泥をメタン発酵処理して得られ
る消化ガスを燃料とし、燃料電池発電を行うことが注目
されている。
ス）、ナフサ、ＬＰガスを燃料ガスとして使用する場合
には、ガス濃度の安定性などの観点から特に問題はな
い。ところで、近年、省エネルギー化や汚泥の有効活用
などの観点から、下水汚泥をメタン発酵処理して得られ
る消化ガスを燃料とし、燃料電池発電を行うことが注目
されている。
【０００５】このような消化ガスを燃料とする場合、発
生する消化ガス中のメタン系炭化水素の濃度が日時およ
び季節によって逐次変化する。因みに、消化ガス中のガ
ス組成は図３に示す通りであるが、その中でも主成分で
あるメタン系炭化水素は、日時，季節等によって最大１
５％も変化し、さらには発電に寄与しない炭酸ガスや酸
素，窒素，塩化分，硫黄分等のような燃料電池発電設備
にとって悪影響を与える被毒ガスも含まれ、これらもま
た日時や季節によって逐次変化する。
生する消化ガス中のメタン系炭化水素の濃度が日時およ
び季節によって逐次変化する。因みに、消化ガス中のガ
ス組成は図３に示す通りであるが、その中でも主成分で
あるメタン系炭化水素は、日時，季節等によって最大１
５％も変化し、さらには発電に寄与しない炭酸ガスや酸
素，窒素，塩化分，硫黄分等のような燃料電池発電設備
にとって悪影響を与える被毒ガスも含まれ、これらもま
た日時や季節によって逐次変化する。
【０００６】そのため、消化ガスを燃料とする場合には
予め決定されたメタン系炭化水素の濃度を一定に保った
状態により運転するのが非常に困難である。そこで、消
化ガスを燃料とする燃料電池発電設備においては、主成
分であるメタン系炭化水素の変動を抑えるために、前処
理装置を設置し、燃料電池に供給する前段階においてメ
タン系炭化水素を濃縮しメタン系炭化水素濃度を一定に
した後、燃料電池発電設備の燃料として供給する方法が
とられている。また、発電に寄与しない炭酸ガスや被毒
ガス成分である酸素，窒素，塩化分，硫黄分等も前処理
装置によって除去している。
予め決定されたメタン系炭化水素の濃度を一定に保った
状態により運転するのが非常に困難である。そこで、消
化ガスを燃料とする燃料電池発電設備においては、主成
分であるメタン系炭化水素の変動を抑えるために、前処
理装置を設置し、燃料電池に供給する前段階においてメ
タン系炭化水素を濃縮しメタン系炭化水素濃度を一定に
した後、燃料電池発電設備の燃料として供給する方法が
とられている。また、発電に寄与しない炭酸ガスや被毒
ガス成分である酸素，窒素，塩化分，硫黄分等も前処理
装置によって除去している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ように消化ガスを用いた燃料電池発電設備では、メタン
系炭化水素の濃縮のために、動力源や設置スペースが必
要となり、さらに保守員が定期的に供給する消化ガスの
組成を分析し、燃料ガス濃度に応じて運転状態を変更す
る方法が考えられるが、このためには保守員の人件費等
の面，ひいてはランニングコストの高騰などから現実的
でない。
ように消化ガスを用いた燃料電池発電設備では、メタン
系炭化水素の濃縮のために、動力源や設置スペースが必
要となり、さらに保守員が定期的に供給する消化ガスの
組成を分析し、燃料ガス濃度に応じて運転状態を変更す
る方法が考えられるが、このためには保守員の人件費等
の面，ひいてはランニングコストの高騰などから現実的
でない。
【０００８】このように消化ガスを燃料とする燃料電池
発電設備においては、設置スペース、イニシャルコスト
およびランニングコストの問題があり、さらに前処理装
置の故障等による消化ガス組成の異常時の対応手段が知
られていないのが現状である。
発電設備においては、設置スペース、イニシャルコスト
およびランニングコストの問題があり、さらに前処理装
置の故障等による消化ガス組成の異常時の対応手段が知
られていないのが現状である。
【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、消化ガス中のメタン系炭化水素を濃縮することなく
供給可能とし、人件費を含めたランニングコスト、設備
全体のコンパクト化および従来のような前処理装置の故
障による影響をなくする燃料電池発電設備を提供するこ
とにある。
で、消化ガス中のメタン系炭化水素を濃縮することなく
供給可能とし、人件費を含めたランニングコスト、設備
全体のコンパクト化および従来のような前処理装置の故
障による影響をなくする燃料電池発電設備を提供するこ
とにある。
【００１０】また、本発明の他の目的は、消化ガス中に
含まれるガス成分から消化ガスの流量または改質用流体
流量を調整し、結果として消化ガス中のメタン系炭化水
素を濃縮することなく供給可能とし、人件費を含めたラ
ンニングコスト、設備全体のコンパクト化および従来の
ような前処理装置の故障による影響をなくする燃料電池
発電設備を提供することにある。さらに、本発明の他の
目的は、設備全体の長期的な安全性を確保し、ひいては
信頼性の向上を図る燃料電池発電設備を提供することに
ある。
含まれるガス成分から消化ガスの流量または改質用流体
流量を調整し、結果として消化ガス中のメタン系炭化水
素を濃縮することなく供給可能とし、人件費を含めたラ
ンニングコスト、設備全体のコンパクト化および従来の
ような前処理装置の故障による影響をなくする燃料電池
発電設備を提供することにある。さらに、本発明の他の
目的は、設備全体の長期的な安全性を確保し、ひいては
信頼性の向上を図る燃料電池発電設備を提供することに
ある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、下水汚泥からメタン発酵処理により得ら
れる消化ガスを燃料とする燃料電池発電設備において、
供給される消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度を
検出し、この検出成分濃度に応じて、消化ガスである燃
料ガスの流量を調整する構成である。
に、本発明は、下水汚泥からメタン発酵処理により得ら
れる消化ガスを燃料とする燃料電池発電設備において、
供給される消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度を
検出し、この検出成分濃度に応じて、消化ガスである燃
料ガスの流量を調整する構成である。
【００１２】このような手段とすることにより、従来の
ようにメタン系炭化水素を濃縮する前処理装置が不要と
なるので、濃縮用動力が不要になり、設置スペースの削
減化によるコンパクト化および無人による自動化によっ
てランニングコストの低減化を実現できる。また、常時
監視された燃料ガス濃度から、燃料ガス流量を算出し、
燃料ガスである消化ガス流量を調整することにより、消
化ガス中のメタン系炭化水素の日時的変化や季節的な濃
度変化に対しても適切に対応しつつ燃料ガス流量を適
切、かつ、安定に燃料電池本体に供給できる。
ようにメタン系炭化水素を濃縮する前処理装置が不要と
なるので、濃縮用動力が不要になり、設置スペースの削
減化によるコンパクト化および無人による自動化によっ
てランニングコストの低減化を実現できる。また、常時
監視された燃料ガス濃度から、燃料ガス流量を算出し、
燃料ガスである消化ガス流量を調整することにより、消
化ガス中のメタン系炭化水素の日時的変化や季節的な濃
度変化に対しても適切に対応しつつ燃料ガス流量を適
切、かつ、安定に燃料電池本体に供給できる。
【００１３】また、別の発明においては、消化ガスを改
質用流体で反応させて改質し出力する改質手段と、前記
消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度を検出し、こ
の検出成分濃度に応じて、前記改質用流体の流量を調整
する調整手段とを設けたものである。
質用流体で反応させて改質し出力する改質手段と、前記
消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度を検出し、こ
の検出成分濃度に応じて、前記改質用流体の流量を調整
する調整手段とを設けたものである。
【００１４】このような手段を講じたことにより、メタ
ン系炭化水素の検出成分濃度から改質用流体の流量を決
定し、消化ガスに対して触媒反応させる改質用流体，つ
まり蒸気流量を調整するので、蒸気流量を適切に供給で
き、よって消化ガス中のメタン系炭化水素の日時的変化
や季節的な濃度変化に対しても、効率よく、かつ、安定
に燃料ガスを取り出すことができ、ひいては消化ガスか
ら適切、かつ、安定に電力を取り出すことができる。
ン系炭化水素の検出成分濃度から改質用流体の流量を決
定し、消化ガスに対して触媒反応させる改質用流体，つ
まり蒸気流量を調整するので、蒸気流量を適切に供給で
き、よって消化ガス中のメタン系炭化水素の日時的変化
や季節的な濃度変化に対しても、効率よく、かつ、安定
に燃料ガスを取り出すことができ、ひいては消化ガスか
ら適切、かつ、安定に電力を取り出すことができる。
【００１５】さらに、別の発明として、消化ガス中に含
まれる炭酸ガスの濃度からも同様に燃料ガスである消化
ガス流量を調整でき、さらに改質用流体の流量を調整で
き、前述と同様の作用を得ることができる。
まれる炭酸ガスの濃度からも同様に燃料ガスである消化
ガス流量を調整でき、さらに改質用流体の流量を調整で
き、前述と同様の作用を得ることができる。
【００１６】さらに、別の発明は、前記何れの発明の構
成に新たに、供給される消化ガス中に含まれる燃料電池
発電設備を構成する各機器の被毒ガスとなる一酸化炭
素、硫黄、塩類、酸素、窒素のうち、少くとも１つの被
毒ガスの成分濃度を検出する検出手段を設けたものであ
る。
成に新たに、供給される消化ガス中に含まれる燃料電池
発電設備を構成する各機器の被毒ガスとなる一酸化炭
素、硫黄、塩類、酸素、窒素のうち、少くとも１つの被
毒ガスの成分濃度を検出する検出手段を設けたものであ
る。
【００１７】このような手段を講じたことにより、被毒
ガスの濃度を的確に把握することができる。さらに、別
の発明は、前記何れの発明の構成に新たに、供給される
消化ガス中に含まれる燃料電池発電設備を構成する各機
器の被毒ガスとなる一酸化炭素、硫黄、塩類、酸素、窒
素のうち、少くとも１つの被毒ガスの成分濃度を検出す
る検出手段と、この検出手段により検出される被毒ガス
の成分濃度が許容値を越えたとき、前記燃料電池発電設
備を停止する設備停止手段を設けたものである。
ガスの濃度を的確に把握することができる。さらに、別
の発明は、前記何れの発明の構成に新たに、供給される
消化ガス中に含まれる燃料電池発電設備を構成する各機
器の被毒ガスとなる一酸化炭素、硫黄、塩類、酸素、窒
素のうち、少くとも１つの被毒ガスの成分濃度を検出す
る検出手段と、この検出手段により検出される被毒ガス
の成分濃度が許容値を越えたとき、前記燃料電池発電設
備を停止する設備停止手段を設けたものである。
【００１８】このような手段を講じたことにより、消化
ガス中に含まれる被毒ガスの濃度を検出し、その検出濃
度が予め定めた許容値を越えたとき、燃料電池発電設備
を停止するので、消化ガスの日時的変化や季節的な濃度
変化や前処理装置の故障等による消化ガス組成の異常に
対しても無人化で対応でき、プラント全体の長期にわた
って安全，ひいては信頼性を向上できる。
ガス中に含まれる被毒ガスの濃度を検出し、その検出濃
度が予め定めた許容値を越えたとき、燃料電池発電設備
を停止するので、消化ガスの日時的変化や季節的な濃度
変化や前処理装置の故障等による消化ガス組成の異常に
対しても無人化で対応でき、プラント全体の長期にわた
って安全，ひいては信頼性を向上できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる燃料電池発
電設備の実施の形態について説明する。図１は全請求項
の発明に係わる燃料電池発電設備の実施の形態を示す構
成図、図２は燃料電池発電設備の一部である燃料電池本
体の構成概念図である。
電設備の実施の形態について説明する。図１は全請求項
の発明に係わる燃料電池発電設備の実施の形態を示す構
成図、図２は燃料電池発電設備の一部である燃料電池本
体の構成概念図である。
【００２０】この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燃料配管１
と、この燃料配管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
より硫黄成分の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。
タン発酵処理により得られる消化ガスを導く燃料配管１
と、この燃料配管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
より硫黄成分の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。
【００２１】この燃料電池本体５は、図２に示すように
燃料極５１および空気極５２を有し、後記するように変
成器４から出力される水素ガスＨ2 に大気中の酸素Ｏ2
を反応させて燃料極側から直流電力を取り出す構成であ
り、さらには当該直流電力をインバータ５３にて交流電
力に変換し出力する構成を含めることもできる。図２で
は、説明の便宜上、燃料極５１、空気極５２の他、イン
バータ５３を含めて燃料電池本体５と呼ぶ。
燃料極５１および空気極５２を有し、後記するように変
成器４から出力される水素ガスＨ2 に大気中の酸素Ｏ2
を反応させて燃料極側から直流電力を取り出す構成であ
り、さらには当該直流電力をインバータ５３にて交流電
力に変換し出力する構成を含めることもできる。図２で
は、説明の便宜上、燃料極５１、空気極５２の他、イン
バータ５３を含めて燃料電池本体５と呼ぶ。
【００２２】前記燃料配管１には消化ガス中のガス濃度
を検出する検出器６が設置されている。消化ガスには図
３で説明したように多数のガス成分組成からなるが、消
化ガス中にはおおよそメタン系炭化水素および炭酸ガス
の濃度の割合が分かるので、１つの検出器６によりガス
濃度を検出すれば、メタン系炭化水素の濃度や炭酸ガス
の濃度を把握することができる。
を検出する検出器６が設置されている。消化ガスには図
３で説明したように多数のガス成分組成からなるが、消
化ガス中にはおおよそメタン系炭化水素および炭酸ガス
の濃度の割合が分かるので、１つの検出器６によりガス
濃度を検出すれば、メタン系炭化水素の濃度や炭酸ガス
の濃度を把握することができる。
【００２３】しかし、より正確に検出する場合には、消
化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度、消化ガス中に
含まれる炭酸ガス濃度その他消化ガス中に含まれる種々
の被毒ガス成分濃度を検出する検出器６を個別に設けて
もよく、或いはメタン系炭化水素の成分濃度および消化
ガス中に含まれる炭酸ガスの濃度を検出する検出器６の
何れか一方または両方を設置してもよい。さらに、被毒
ガス成分として、例えば一酸化炭素、硫黄、窒素、塩
類、酸素等が上げられるが、これら全ての濃度検出器を
もつものでもよく、或いは炭化水素、炭酸ガスを含めて
幾つかの検出器の出力から演算により、所要のガス濃度
を検出する構成であってもよい。検出器の設置個数を削
減する面からは、幾つかの検出器の出力の組み合わせ演
算により、所要のガス濃度を求める方が望ましい。
化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度、消化ガス中に
含まれる炭酸ガス濃度その他消化ガス中に含まれる種々
の被毒ガス成分濃度を検出する検出器６を個別に設けて
もよく、或いはメタン系炭化水素の成分濃度および消化
ガス中に含まれる炭酸ガスの濃度を検出する検出器６の
何れか一方または両方を設置してもよい。さらに、被毒
ガス成分として、例えば一酸化炭素、硫黄、窒素、塩
類、酸素等が上げられるが、これら全ての濃度検出器を
もつものでもよく、或いは炭化水素、炭酸ガスを含めて
幾つかの検出器の出力から演算により、所要のガス濃度
を検出する構成であってもよい。検出器の設置個数を削
減する面からは、幾つかの検出器の出力の組み合わせ演
算により、所要のガス濃度を求める方が望ましい。
【００２４】また、燃料配管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流体流量調整弁１０が設置されて
いる。
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流体流量調整弁１０が設置されて
いる。
【００２５】さらに、検出器６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１１が設けられている。このガス濃度評価演算部１
１は、検出器６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１２と、ガス濃度収集手段１２
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１３と、この燃料流量演算手段１
３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、改質用流体流量調整弁１０を調整する改質用
蒸気流量演算手段１４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１５とによって構成されている。
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１１が設けられている。このガス濃度評価演算部１
１は、検出器６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１２と、ガス濃度収集手段１２
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１３と、この燃料流量演算手段１
３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、改質用流体流量調整弁１０を調整する改質用
蒸気流量演算手段１４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１５とによって構成されている。
【００２６】なお、ガス濃度収集手段１２は、後続の演
算に適するようなデータ例えば各検出器６の出力をディ
ジタルデータに変換するとか、変換したデータをメモリ
に一時保管するなどの手段が設けられている。前記許容
範囲は、各被毒成分および燃料電池発電設備の設計条件
等によって決定される。また、設備停止手段１５により
停止させる機器としては、例えば燃料ガス入口遮断弁７
を閉止し消化ガスの供給を停止することが上げられる。
算に適するようなデータ例えば各検出器６の出力をディ
ジタルデータに変換するとか、変換したデータをメモリ
に一時保管するなどの手段が設けられている。前記許容
範囲は、各被毒成分および燃料電池発電設備の設計条件
等によって決定される。また、設備停止手段１５により
停止させる機器としては、例えば燃料ガス入口遮断弁７
を閉止し消化ガスの供給を停止することが上げられる。
【００２７】図１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。１７は燃料電池本体５を構成する空気極５２から
出力される排気を水に熱交換する熱交換機、１８はタン
ク、１９はポンプである。
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。１７は燃料電池本体５を構成する空気極５２から
出力される排気を水に熱交換する熱交換機、１８はタン
ク、１９はポンプである。
【００２８】次に、以上のように構成された燃料電池発
電設備の動作について説明する。下水汚泥からメタン発
酵処理により得られる消化ガスが燃料配管１から供給さ
れると、この燃料配管１に設置される検出器６によって
例えば消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度、さら
に必要に応じて、消化ガス中に含まれる炭酸ガス濃度、
被毒ガス成分である一酸化炭素、硫黄、塩類、酸素、窒
素等のうち必要なガス濃度を検出し、ガス濃度評価演算
部１１に送出する。
電設備の動作について説明する。下水汚泥からメタン発
酵処理により得られる消化ガスが燃料配管１から供給さ
れると、この燃料配管１に設置される検出器６によって
例えば消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度、さら
に必要に応じて、消化ガス中に含まれる炭酸ガス濃度、
被毒ガス成分である一酸化炭素、硫黄、塩類、酸素、窒
素等のうち必要なガス濃度を検出し、ガス濃度評価演算
部１１に送出する。
【００２９】このガス濃度評価演算部１１においては、
検出器６により検出されるガス濃度をガス濃度収集手段
１２にて収集した後、この収集された消化ガス中のメタ
ン系炭化水素の成分濃度に基づき、燃料流量演算手段１
３が下記式により総発熱量を算出する。
検出器６により検出されるガス濃度をガス濃度収集手段
１２にて収集した後、この収集された消化ガス中のメタ
ン系炭化水素の成分濃度に基づき、燃料流量演算手段１
３が下記式により総発熱量を算出する。
【００３０】今、メタン系炭化水素がＣＨ4 １％／ｈ
につき発熱量約８７Ｋｃａｌ／ｈであり、かつ、ガス濃
度のうちＣＨ4 がＡ％程度（一般的には６０％程度）含
有するとすれば、 総発熱量＝８７×Ａ＝８７・Ａ Ｋｃａｌ／ｈ ……（１） となる。
につき発熱量約８７Ｋｃａｌ／ｈであり、かつ、ガス濃
度のうちＣＨ4 がＡ％程度（一般的には６０％程度）含
有するとすれば、 総発熱量＝８７×Ａ＝８７・Ａ Ｋｃａｌ／ｈ ……（１） となる。
【００３１】よって、燃料流量演算手段１３は、前記
（１）式を満たすような燃料流量を決定し、燃料ガス流
量調整弁８を調整する。なお、メタン系炭化水素の成分
濃度に代えて、消化ガス中に含まれる炭酸ガスの濃度か
ら総発熱量を算出できる。通常、消化ガスの中にＣＨ4
が５５％〜６４％、ＣＯ2 が３５〜４５％の割合で含有
されていることから、上記２つの成分が大半を占めてい
る。
（１）式を満たすような燃料流量を決定し、燃料ガス流
量調整弁８を調整する。なお、メタン系炭化水素の成分
濃度に代えて、消化ガス中に含まれる炭酸ガスの濃度か
ら総発熱量を算出できる。通常、消化ガスの中にＣＨ4
が５５％〜６４％、ＣＯ2 が３５〜４５％の割合で含有
されていることから、上記２つの成分が大半を占めてい
る。
【００３２】ゆえに、発電に寄与しないＣＯ2 濃度の検
出ちがＥであるとすると、メタン系炭化水素の成分濃度
は、 １００（ＣＨ4 ＋ＣＯ2 ）−Ｅ ……（２） なる式から求めることができる。この（２）式から得ら
れるメタン系炭化水素の成分濃度に基づき、前記（１）
式を用いて総発熱量を算出できる。
出ちがＥであるとすると、メタン系炭化水素の成分濃度
は、 １００（ＣＨ4 ＋ＣＯ2 ）−Ｅ ……（２） なる式から求めることができる。この（２）式から得ら
れるメタン系炭化水素の成分濃度に基づき、前記（１）
式を用いて総発熱量を算出できる。
【００３３】さらに、改質用蒸気流量演算手段１４では
次のような処理を行う。今、メタン分子１個に対する発
熱量をＢ Ｋｃａｌ／ｍｏｌとすると、 ＣＨ4 …… （８７・Ａ Ｋｃａｌ／ｈ）／（Ｂ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ） ＝Ｃ ｍｏｌ／ｈ ……（３） となる。この（３）式を予め定められる所定の倍数例え
ば２倍したのが水の量と考えられるので、 Ｈ2 Ｏ …… ２・Ｃ ｍｏｌ／ｈ ……（４） となる。
次のような処理を行う。今、メタン分子１個に対する発
熱量をＢ Ｋｃａｌ／ｍｏｌとすると、 ＣＨ4 …… （８７・Ａ Ｋｃａｌ／ｈ）／（Ｂ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ） ＝Ｃ ｍｏｌ／ｈ ……（３） となる。この（３）式を予め定められる所定の倍数例え
ば２倍したのが水の量と考えられるので、 Ｈ2 Ｏ …… ２・Ｃ ｍｏｌ／ｈ ……（４） となる。
【００３４】ここで、Ｈ2 Ｏ・１ｍｏｌ＝１８ｋｇ／ｈ
・ｍｏｌであるので、必要とする蒸気流量Ｄは、 Ｄ＝２・Ｃ ｍｏｌ／ｈ ・１８ ｋｇ／ｈ・ｍｏｌ ＝２・Ｃ・１８ ｋｇ／ｈ ……（５） となる。そこで、改質用蒸気流量演算手段１４は、前記
（５）式に相当する流量の蒸気を供給するように改質用
蒸気流量調整弁１０を調整する。
・ｍｏｌであるので、必要とする蒸気流量Ｄは、 Ｄ＝２・Ｃ ｍｏｌ／ｈ ・１８ ｋｇ／ｈ・ｍｏｌ ＝２・Ｃ・１８ ｋｇ／ｈ ……（５） となる。そこで、改質用蒸気流量演算手段１４は、前記
（５）式に相当する流量の蒸気を供給するように改質用
蒸気流量調整弁１０を調整する。
【００３５】以上のようにして消化ガスが燃料ガス流量
調整弁８によって調整された後、脱硫器２を通すことに
より、消化ガス中に含まれる硫黄成分を取り除く。ここ
で、硫黄成分が除去された消化ガスであるＣＨ4 は、改
質用蒸気流量調整弁１０で調整された蒸気Ｈ2 Ｏととも
に改質器３に導入され、ここで以下の反応式で示される
スチーム・リフォーミング反応によって水素リッチガス
に改質する。
調整弁８によって調整された後、脱硫器２を通すことに
より、消化ガス中に含まれる硫黄成分を取り除く。ここ
で、硫黄成分が除去された消化ガスであるＣＨ4 は、改
質用蒸気流量調整弁１０で調整された蒸気Ｈ2 Ｏととも
に改質器３に導入され、ここで以下の反応式で示される
スチーム・リフォーミング反応によって水素リッチガス
に改質する。
【００３６】 ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ2 ……（６） そして、以上のようにして改質器３により改質された成
分のうちＣＯが被毒ガスであることから、ＣＯを例えば
蒸気を用いて触媒反応させることにより、以下のような
二酸化炭素と水素に変成する。
分のうちＣＯが被毒ガスであることから、ＣＯを例えば
蒸気を用いて触媒反応させることにより、以下のような
二酸化炭素と水素に変成する。
【００３７】 ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ → ＣＯ2 ＋Ｈ2 ……（７） そして、この変成器４で得られる水素ガスＨ2 と大気で
あるＯ2 とを燃料電池本体５に供給し電気出力を取り出
す。この燃料電池本体５では、水素ガスＨ2 が燃料極５
１に供給され、ここで、 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ- ……（８） を生成し、そのうち電子２ｅ- をインバータ５３を経由
し空気極５２に移動されることにより直流電力を取り出
し、このとき直流電力をインバータ５３で交流電力に変
換し出力する。一方、空気極５２側では、以下のような
式により蒸気Ｈ2Ｏを取り出し、排気ラインから出力
し、熱交換機１６により水に変換される。
あるＯ2 とを燃料電池本体５に供給し電気出力を取り出
す。この燃料電池本体５では、水素ガスＨ2 が燃料極５
１に供給され、ここで、 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ- ……（８） を生成し、そのうち電子２ｅ- をインバータ５３を経由
し空気極５２に移動されることにより直流電力を取り出
し、このとき直流電力をインバータ５３で交流電力に変
換し出力する。一方、空気極５２側では、以下のような
式により蒸気Ｈ2Ｏを取り出し、排気ラインから出力
し、熱交換機１６により水に変換される。
【００３８】 （１／２）Ｏ2 ＋２ｅ- ＋２Ｈ+ →Ｈ2 Ｏ ……（９） さらに、設備停止手段１５においては、検出されたガス
濃度のうち被毒ガスが発電設備に悪影響を与えるので、
被毒ガスである一酸化炭素、硫黄、塩類、酸素、窒素等
の何れか１つ以上の濃度のうち１つでも被毒ガス濃度が
予め定められた許容値内であるか否かを判定し、許容値
を越えたとき、燃料ガス入口遮断弁７を閉とし、燃料電
池発電設備を停止する。
濃度のうち被毒ガスが発電設備に悪影響を与えるので、
被毒ガスである一酸化炭素、硫黄、塩類、酸素、窒素等
の何れか１つ以上の濃度のうち１つでも被毒ガス濃度が
予め定められた許容値内であるか否かを判定し、許容値
を越えたとき、燃料ガス入口遮断弁７を閉とし、燃料電
池発電設備を停止する。
【００３９】従って、以上のような実施の形態によれ
ば、従来のようにメタン系水素を濃縮する前処理装置が
不要となるので、濃縮用動力が不要になり、これによっ
て設置スペースおよびランニングコストの低減化を実現
できる。また、常時監視された燃料ガス濃度から、燃料
ガス流量、改質用蒸気流量を算出するので、消化ガス中
のメタン系炭化水素の日時的変化や季節的な濃度変化に
対しても適切に対応しつつ燃料ガス流量および改質用蒸
気流量を調整でき、消化ガスから適切、かつ、安定に電
力を取り出すことができる。さらに、被毒ガス濃度を監
視し、被毒ガス濃度が予め定めた許容値を越えたとき、
燃料電池発電設備を停止するので、消化ガスの日時的・
季節的な濃度変化や設備の故障等による消化ガス組成の
異常に対して無人で対応でき、プラント全体の長期にわ
たって安全，ひいては信頼性を向上できる。
ば、従来のようにメタン系水素を濃縮する前処理装置が
不要となるので、濃縮用動力が不要になり、これによっ
て設置スペースおよびランニングコストの低減化を実現
できる。また、常時監視された燃料ガス濃度から、燃料
ガス流量、改質用蒸気流量を算出するので、消化ガス中
のメタン系炭化水素の日時的変化や季節的な濃度変化に
対しても適切に対応しつつ燃料ガス流量および改質用蒸
気流量を調整でき、消化ガスから適切、かつ、安定に電
力を取り出すことができる。さらに、被毒ガス濃度を監
視し、被毒ガス濃度が予め定めた許容値を越えたとき、
燃料電池発電設備を停止するので、消化ガスの日時的・
季節的な濃度変化や設備の故障等による消化ガス組成の
異常に対して無人で対応でき、プラント全体の長期にわ
たって安全，ひいては信頼性を向上できる。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような種々の効果を奏する。請求項１の発明によれ
ば、消化ガス濃度からメタン系炭化水素成分濃度を測定
し、このメタン系炭化水素成分濃度から総発熱量を算出
するとともに、この総発熱量から燃料電池発電設備の運
転に適した燃料ガス流量を取り出すので、消化ガス中の
メタン系炭化水素の日時的変化や季節的な濃度変化に対
しても、消化ガスを効率よく利用しつつ電力を取得で
き、消化ガスから適切、かつ、安定な電力を取り出すこ
とができる。
のような種々の効果を奏する。請求項１の発明によれ
ば、消化ガス濃度からメタン系炭化水素成分濃度を測定
し、このメタン系炭化水素成分濃度から総発熱量を算出
するとともに、この総発熱量から燃料電池発電設備の運
転に適した燃料ガス流量を取り出すので、消化ガス中の
メタン系炭化水素の日時的変化や季節的な濃度変化に対
しても、消化ガスを効率よく利用しつつ電力を取得で
き、消化ガスから適切、かつ、安定な電力を取り出すこ
とができる。
【００４１】請求項２の発明によれば、燃料ガス流量か
ら改質用蒸気流量を決定し、改質用蒸気流量を調整する
ので、消化ガス中のメタン系炭化水素の日時的変化や季
節的な濃度変化に対しても、効率よく、かつ、安定に水
素を取り出すことができる。
ら改質用蒸気流量を決定し、改質用蒸気流量を調整する
ので、消化ガス中のメタン系炭化水素の日時的変化や季
節的な濃度変化に対しても、効率よく、かつ、安定に水
素を取り出すことができる。
【００４２】請求項３の発明によれば、消化ガス中に含
まれる炭酸ガスの濃度からも燃料電池発電設備の運転に
適した燃料ガス流量を取り出すことができ、請求項１と
同様の効果を奏する。
まれる炭酸ガスの濃度からも燃料電池発電設備の運転に
適した燃料ガス流量を取り出すことができ、請求項１と
同様の効果を奏する。
【００４３】請求項４の発明によれば、消化ガス中に含
まれる炭酸ガスの濃度から得られる燃料ガス流量から改
質用蒸気流量を決定し、改質用蒸気流量を調整するの
で、請求項２と同様な効果を奏する。
まれる炭酸ガスの濃度から得られる燃料ガス流量から改
質用蒸気流量を決定し、改質用蒸気流量を調整するの
で、請求項２と同様な効果を奏する。
【００４４】請求項５，６の発明によれば、消化ガス中
に含まれる被毒ガスの濃度を検出し、その検出濃度が予
め定めた許容値を越えたとき、燃料電池発電設備を停止
するので、消化ガスの日時的変化や季節的な濃度変化や
前処理装置の故障等による消化ガス組成の異常に対して
も無人で対応でき、プラント全体の長期にわたって安
全，ひいては信頼性を向上できる。よって、燃料電池発
電設備全体のコンパクト化、イニシャルコストおよびラ
ンニングコストの低減化、異常に対する適切な対応を実
現できる。
に含まれる被毒ガスの濃度を検出し、その検出濃度が予
め定めた許容値を越えたとき、燃料電池発電設備を停止
するので、消化ガスの日時的変化や季節的な濃度変化や
前処理装置の故障等による消化ガス組成の異常に対して
も無人で対応でき、プラント全体の長期にわたって安
全，ひいては信頼性を向上できる。よって、燃料電池発
電設備全体のコンパクト化、イニシャルコストおよびラ
ンニングコストの低減化、異常に対する適切な対応を実
現できる。
【図１】 本発明に係わる燃料電池発電設備の一実施の
形態を示す構成図。
形態を示す構成図。
【図２】 燃料電池発電設備に用いられる燃料設備本体
の構成概念図。
の構成概念図。
【図３】 消化ガスの組成図。
２…脱硫器 ３…改質器 ４…変成器 ５…燃料電池本体 ６…濃度検出器 ７…燃料ガス入口遮断弁 ８…燃料ガス流量調整弁 １０…改質用蒸気流量調整弁 １１…ガス濃度そ評価演算部 １３…燃料流量演算手段 １４…改質用蒸気流量演算手段 １５…設備停止手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 雅己 神奈川県秦野市尾尻450−22 (72)発明者 銭元 秀延 神奈川県横浜市鶴見区上の宮１−６−17 (56)参考文献 特開 平９−320628（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−97622（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−169495（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−177013（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−260203（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (6)
- 【請求項１】 下水汚泥からメタン発酵処理により得
られる消化ガスを燃料とする燃料電池発電設備におい
て、 供給される消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度を
検出し、この検出成分濃度に応じて、消化ガスである燃
料ガスの流量を調整することを特徴とする燃料電池発電
設備。 - 【請求項２】 下水汚泥からメタン発酵処理により得
られる消化ガスを燃料とする燃料電池発電設備におい
て、 前記消化ガスを改質用流体で反応させて改質し出力する
改質手段と、前記消化ガス中のメタン系炭化水素の成分
濃度を検出し、この検出成分濃度に応じて、前記改質用
流体の流量を調整する調整手段とを備えたことを特徴と
する燃料電池発電設備。 - 【請求項３】 下水汚泥からメタン発酵処理により得
られる消化ガスを燃料とする燃料電池発電設備におい
て、 供給される消化ガス中に含まれる炭酸ガスの濃度を検出
し、この検出成分濃度に応じて、消化ガスである燃料ガ
スの流量を調整することを特徴とする燃料電池発電設
備。 - 【請求項４】 下水汚泥からメタン発酵処理により得
られる消化ガスを燃料とする燃料電池発電設備におい
て、 前記消化ガスを改質用流体で反応させて改質し出力する
改質手段と、前記消化ガス中に含まれる炭酸ガスの濃度
を検出し、この検出成分濃度に応じて、前記改質用流体
の流量を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする
燃料電池発電設備。 - 【請求項５】 請求項１ないし請求項４の何れか１つ
に記載する燃料電池発電設備において、 供給される消化ガス中に含まれる燃料電池発電設備を構
成する各機器の被毒ガスとなる一酸化炭素、硫黄、塩
類、酸素、窒素のうち、少くとも１つの被毒ガスの成分
濃度を検出する検出手段を設けたことを特徴とする燃料
電池発電設備。 - 【請求項６】 請求項５に記載される燃料電池発電設
備において、 前記検出手段により検出される被毒ガスの成分濃度が許
容値を越えたとき、前記燃料電池発電設備を停止する設
備停止手段を設けたことを特徴とする燃料電池発電設
備。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09291060A JP3103332B2 (ja) | 1997-10-23 | 1997-10-23 | 燃料電池発電設備 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09291060A JP3103332B2 (ja) | 1997-10-23 | 1997-10-23 | 燃料電池発電設備 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11126629A JPH11126629A (ja) | 1999-05-11 |
| JP3103332B2 true JP3103332B2 (ja) | 2000-10-30 |
Family
ID=17763919
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09291060A Expired - Lifetime JP3103332B2 (ja) | 1997-10-23 | 1997-10-23 | 燃料電池発電設備 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3103332B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001004046A1 (fr) * | 1999-07-13 | 2001-01-18 | Ebara Corporation | Procede de production d'energie electrique a l'aide d'une pile a combustible et systeme de production d'energie electrique utilisant une pile a combustible |
| DE60116602T2 (de) | 2000-03-02 | 2006-11-09 | Ebara Corp. | Brennstoffzellen-energiegewinnungsverfahren und -system |
| US6709780B2 (en) * | 2002-04-30 | 2004-03-23 | General Motors Corporation | System and method for controlling steam in a fuel system with a fuel processor |
| US6890671B2 (en) * | 2002-12-19 | 2005-05-10 | Utc Fuel Cells, Llc | Fuel mixing control for fuel cell power plants operating on multiple fuels |
| JP4605992B2 (ja) * | 2003-03-28 | 2011-01-05 | 三井造船株式会社 | 燃料電池発電プロセス、および燃料電池システム |
| GB0314806D0 (en) * | 2003-06-25 | 2003-07-30 | Accentus Plc | Processing biological waste materials to provide energy |
| JP5686592B2 (ja) * | 2010-12-28 | 2015-03-18 | Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 | 燃料電池システム |
| JP5786127B2 (ja) * | 2011-04-05 | 2015-09-30 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池システムとその運転方法 |
| JP2013048084A (ja) * | 2011-07-25 | 2013-03-07 | Metawater Co Ltd | 燃料電池発電装置およびその制御方法 |
-
1997
- 1997-10-23 JP JP09291060A patent/JP3103332B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11126629A (ja) | 1999-05-11 |
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