JP4052784B2 - 熱電併給型燃料電池発電装置およびその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質器からの改質ガスを燃料電池に導入して発電するとともに、熱を回収して温水を供給する熱電併給型燃料電池発電装置の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、改質器及び燃料電池を組み合わせたエネルギー供給システムの開発が進められている。このエネルギー供給システムは、天然ガス等の原燃ガスを改質器において改質触媒の存在下、水蒸気と反応させ、水素に富んだ改質ガスに変換し、この改質ガスを燃料電池の燃料極（アノード）に供給し、一方、燃料電池の空気極（カソード）には酸化性ガス、たとえば空気を導入して、化学反応から直接電流を取り出すものである。このエネルギー供給システムでは、改質器及び燃料電池から排出される排気ガスが高温であるため、この排気ガスから熱エネルギーを回収することにより、給湯や暖房等へ利用することが可能になる。従って、このようなエネルギー供給システムによれば、例えば、電力会社からの電源供給を受けることができない地域に設けられる家屋や臨時施設等へも電気エネルギー及び熱エネルギーを供給でき、また、このエネルギー供給システムにより電力需要が多い昼間の時間帯にのみ発電し、電力需要の少ない夜間の時間帯には電力会社からの電力供給を受ければ、昼夜間における電力需要の平準化という社会的な要請に応えることもできる。
【０００３】
前記エネルギー供給システムにおいては、高温である燃料排ガスの排熱を回収することにより全体のエネルギー効率（用いた全燃料のエネルギーに対する得られた電気エネルギーと熱エネルギーの和）の向上が可能であるが、全体のエネルギー効率の向上だけでなく、電気エネルギーおよび熱エネルギーそれぞれの効率、すなわち発電効率および熱回収効率の各々が所定の大きさを達成することが求められている。また、前記エネルギー供給システムを用いるにあたり、使用者の生活パターンに応じて、発電効率重視の運転を行うかあるいは熱回収効率重視の運転を行う場合がある。たとえば、より多くの熱エネルギーを必要とする家庭においては、従来のシステムでは別に用意した給湯器などにより不足分を補う必要があり、使用者に新たな設備投資を強いるものであった。
したがって、前記エネルギー供給システムの運転において、全体の熱効率を大きく変えずに発電効率重視の運転あるいは熱回収効率重視の運転に容易に切り換えが可能なエネルギー供給システムが求められているが、現在、そのようなことが可能なエネルギー供給システムは実現していない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、電気エネルギーと熱エネルギーを併給可能な熱電併給型燃料電池発電装置において、新たな設備投資を行うことなく、発電効率および熱回収効率の比を制御することが可能な運転方法およびそのための熱電併給型燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題は以下の熱電併給型燃料電池発電装置およびその運転方法を提供することにより解決される。
（１）少なくとも燃料電池および熱回収装置を有する熱電併給型燃料電池発電装置であって、発電効率と熱回収効率の比を制御する手段を有し、前記発電効率と熱回収効率の比を制御する手段は、燃料電池に改質ガスを供給する改質器用の改質器バーナへの空気の供給量を設定空気比の範囲において予め定められた供給量に制御する手段を有し、前記改質器バーナにおいて燃焼した燃焼ガスは、水タンクからの水と熱交換する熱交換器及び貯湯タンクからの水と熱交換する熱交換器を通って排出されることを特徴とする熱電併給型燃料電池発電装置。
（２）改質器からの改質ガスを燃料電池に導入して発電するとともに、熱を回収して温水を供給する熱電併給型燃料電池発電装置の運転方法において、改質器バーナに供給する空気量を設定空気比の範囲において予め定められた供給量に制御することにより、発電効率と熱回収効率の比を制御し、かつ、前記改質器バーナにおいて燃焼した燃焼ガスは、水タンクからの水と熱交換する熱交換器及び貯湯タンクからの水と熱交換する熱交換器を通って排出されることを特徴とする熱電併給型燃料電池発電装置の運転方法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、特に新たな設備投資を行うことなく、改質器バーナへの空気供給量を制御することにより、発電効率と熱回収効率の比率を制御することができ、発電効率重視の運転あるいは熱回収効率重視の運転に容易に切り換えが可能となる。
【０００７】
改質器は、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原燃ガスを水蒸気とともに、改質反応温度（通常７００〜７５０℃）にまで昇温させた改質器触媒に接触させて、水素ガスに富んだ改質ガスを生成するための装置である。通常、改質器触媒を入れた管等の触媒容器中に原燃ガスを通すことにより改質反応が行われる。改質反応に先立ち触媒が反応温度に達するまで触媒容器を加熱するが、この加熱は、燃料ガス、通常は原燃ガスの一部をバイパスさせ、改質器に取りつけられたバーナに供給し、同時にバーナに空気を送って、燃焼させ燃焼ガスの熱により触媒容器を加熱する。触媒容器を加熱した燃焼ガスは改質器を出て排ガスとなり、熱交換器（後に説明する図２の１７、３２参照）において熱交換され、最終的に排気される。
改質器の触媒容器に原燃ガスおよび水蒸気を導入して改質ガスを生成させ、これを燃料電池に導入して発電が開始すると、燃料電池から未反応の水素ガスを含む燃料電池排ガスが排出されるが、この排ガスを改質器バーナに供給して燃焼させる。この燃料電池排ガスだけでは改質器触媒を所定の反応温度にまで昇温させることができない場合は、前記の原燃ガスを追加する。
【０００８】
一般に改質器バーナへの空気供給量は、改質器バーナに供給する燃料ガスを完全燃焼させるに必要な空気量を１とした場合、通常およそ１．１ないし１．８の範囲になるような量（このことを「空気比が１．１〜１．８」という。）である。この範囲における空気比の設定は、燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素量および燃焼状態に基づいて適宜決定される。
本発明は、前記空気比の範囲において、改質器バーナに対する空気供給量を制御することにより、発電効率と熱回収効率の比率を制御することを特徴とする。
【０００９】
改質器バーナをある空気比において、改質器触媒を反応温度に保つように燃焼させている状態から、その空気比より大きい量の空気を供給すると、改質器を通るガス量が多くなり改質器内をより速く燃焼ガスが通過する結果、燃焼ガスが触媒容器において熱交換する時間が短くなる。そうすると、触媒容器に供給される熱は少なくなり、改質反応における水素生成率は少なくなり、その結果発電量は減り、発電効率は下がる。一方、触媒容器に与えられなかった熱は熱交換器において、たとえば水を昇温させ、その結果熱回収は増加し、熱回収効率を上昇させる。なお、空気量を増やす前と後において、発電量を一定にしたいのであれば、改質反応温度を確保するためにバーナに供給する燃料ガスの量を増やせばよい。逆に、改質器バーナに供給する空気比を下げると、燃焼ガスが触媒容器において熱交換する時間が長くなり、改質反応に必要な熱以上の熱が触媒容器に与えられる一方、熱交換器における排熱回収は空気比を下げる前に比較して低減するので、熱回収効率は下がることになる。また、改質器バーナに供給する燃料ガスの量を減らすことができるので、結果的に発電効率を上げることができる。
そして、全体の効率がほぼ一定の場合、発電効率を上げれば発電量は増え、一方、熱回収効率は下がって得られる熱量は少なくなる。また、発電効率を下げれば発電量は少なくなり、一方、熱回収効率は上がり得られる熱量は多くなる。
【００１０】
図１は、前記空気比の範囲のある特定の空気比から、空気比（空気量）を増加あるいは減少させた場合の、発電効率および熱回収効率の変化を示す概念図である。図１中Ａ点は、前記空気比範囲（１．１〜１．８）内にある特定の空気比をさす。また、この場合、全体効率は概ね一定のものとする。Ａの空気比から徐々に空気比を増加させると、発電効率は低下する方向に、熱回収効率は増加する方向に変化する。またＡの空気比から空気比を低下させると、発電効率は増加する方向に、熱回収効率は低下する方向に変化する。
たとえば前記範囲の空気比においては、空気比を１５％低下させると、発電効率は８％増加し、熱回収効率は８％低下する。また、空気比を１５％増加させると、発電効率は８％低下し、熱回収効率は８％増加する。
【００１１】
本発明の運転方法においては、発電効率と熱回収効率の比がいくつかの特定の比になるようにあらかじめ設定する。
たとえば図３に示すようなシーケンス制御を行うことにより、前記のような空気比の範囲内において設定された発電効率と熱回収効率で運転するモード（通常モード）、前記空気比より空気比を下げて発電効率重視の運転を行うモード（発電効率重視モード）、および前記空気比より空気比を上げるあるいは燃料ガスの供給量を増加させて熱回収効率重視の運転を行うモード（熱回収効率重視モード）の３つのモードが選択可能なように制御してもよい。なお、通常モードは設置地域、場所、あるいは使用状況などを考慮して決定される。
前記３つのモードにより運転を行う場合、たとえば、通常モードでは発電効率を２０〜２３％、熱回収効率を２０〜２３％に、発電効率重視の運転を行うモードでは発電効率を２７〜３０％、熱回収効率を１４〜１７％に、熱回収効率重視の運転を行うモードでは発電効率を１４〜１７％、熱回収効率を２７〜３０％に設定することが可能である。
また、前記の発電効率重視モードおよび／または熱回収効率重視モードを、さらにいくつかのモードにしてもよい。
【００１２】
このように、本発明の運転方法においては、特に新たな設備投資を行うことなく、改質器バーナの空気供給量を制御することにより、容易に発電効率および熱回収効率の比を制御することができるので、発電効率重視の運転および熱回収効率重視の運転に転換させることが容易に行うことができる。
【００１３】
次に、本発明の運転方法が適用される、改質器からの改質ガスを燃料電池に導入して発電するとともに、熱を回収して温水を供給する熱電併給型燃料電池発電装置の一例を示す。図２は固体高分子型燃料電池を用いる発電装置の一例を示すが、本発明の運転方法は、固体高分子型燃料電池だけでなくリン酸塩型燃料電池を用いる発電装置に適用できることは勿論である。前記発電装置の各部の構成をその作動とともに説明する。
起動時は、脱硫器２で脱硫した原燃ガス１を管路１３を経て改質器バーナ１２に導き、同時に空気送風機１４により空気をバーナに供給して点火し燃焼ガスを生成させ、これを改質器３に通す。燃焼ガスは改質器３の触媒容器を加熱し、改質触媒の温度を反応温度にまで上昇させる。バーナ１２において燃焼したガスは熱交換器１７および熱交換器３２を通って排ガスとして排出される。熱交換器１７では水タンク２１からの水と熱交換し、熱交換器３２では貯湯タンク９８からの水と熱交換する。
【００１４】
また、改質器３に脱硫器２で脱硫された原燃ガス１を昇圧ポンプ１０を介して導入するとともに、改質器３に水蒸気を導入する。改質器の触媒層の温度は改質反応温度にまで昇温しているので、改質反応が生じ水素ガスに富んだ改質ガスが生成する。改質器３への水蒸気の導入は、改質器３に接続した熱交換器１７に水タンク２１からの水をポンプ２２を介して供給し、熱交換器１７で蒸発させ、得られた水蒸気を改質器３への原燃ガス管路へ導入することにより行われる。
改質器バーナの点火と改質器への原燃ガスの導入は同時でもよく、また、改質器触媒の温度が改質反応に達したときでも、さらにその間でもよい。
改質ガスは、ガス組成が安定するまでは燃料電池６に導入することができないので、改質器３、一酸化炭素変成器４および一酸化炭素除去器５の各触媒層の温度が安定するまでは、開閉弁９１は閉じられ開閉弁３６が開かれ、一酸化炭素除去器からのガスは管路３５を経てＰＧ（プロセスガス）バーナに送られ送風機３７により供給された空気により燃焼させられ、その燃焼ガスは熱交換器４６を通り、貯湯タンク９８からの水と熱交換した後、排ガス４５として排気される。
【００１５】
一酸化炭素変成器４および一酸化炭素除去器５の各触媒層の温度が安定した段階で、開閉弁９１が開かれ改質ガスは燃料電池６に導入され発電が開始する。燃料電池６の温度が安定するまでは、開閉弁９２は閉じられ、開閉弁３９が開かれ、未反応水素ガスが残留する燃料電池からの排ガスは管路３８を通り、前記したのと同様にＰＧバーナで燃焼させられる。安定的な定常運転に移行した時点において開閉弁９１、９２が開かれ、開閉弁３６、３９が閉じられて燃料電池のアノード６ａを経た未反応ガスは管路１５を経てバーナ１２に供給される。未反応ガスは全量バーナで燃焼させるが、これだけでは改質器触媒層の温度を改質反応温度に保つことができない場合には、原燃ガスがバーナ１２に供給される。カソード６ｂから排出された空気は、燃料電池本体６の発熱反応によって温度上昇しているので、管路２６を経て熱交換器２７を通した後、排気される。
【００１６】
また、本発明の熱電併給型燃料電池発電装置の運転においては、改質ガスからの熱、燃料電池からの熱は各熱交換器を用いて回収し、湯として供給する。改質器と燃料電池を結ぶラインに設けられた熱交換器１８、１９、２０を通って、水タンク２１からの水がポンプ２３、２４、２５により循環し、その結果、このラインを通る改質ガスは冷却され、一方水タンク２１の水は加熱される。また、水タンク２１の水はポンプ４２により熱交換器４１内を循環し、貯湯タンクの水と熱交換する。また、カソード６ｂからの排ガスは、ガス管路２６に接続された熱交換器２７の中を通って、その中を通る水と熱交換する。
貯湯タンク９８からの水はポンプ２８により熱交換器２７内を、ポンプ３３により熱交換器３２内を、ポンプ４３により熱交換器４１内を、ポンプ４７により熱交換器４６内を、それぞれ循環し、加熱させられる。さらに、燃料電池６の冷却部６ｃにはポンプ４８を介して水タンク２１の水が循環する。
改質器からの排ガス管路３１には熱交換器３２が接続され、熱交換器３２には、貯湯タンク９８からの水がポンプ３３を介して循環し、排熱回収が行われる。
【００１７】
本発明においては、前記の安定な定常運転の期間において前記の発電効率および熱回収効率の比の制御を行うことが好ましい。
以上において、固体高分子型燃料電池発電システムについて説明したが、リン酸塩型燃料電池発電システムにおいても同様に発電効率と熱回収効率の比を制御することができる。リン酸塩型燃料電池発電システムにおいては、一酸化炭素除去器は設けられず、一酸化炭素変成器のみが設けられる点が異なるだけである。
【００１８】
次に、前記図３で示すシーケンス制御を行う本発明の運転方法について説明する。通常モードは、前記のような空気比の範囲内（１．１〜１．８）において選択した特定の空気比で、所定の発電効率と熱回収効率に設定した運転モードに従って運転し、発電を行うと同時に熱回収すなわち温水も供給する。次に使用者が選択スイッチにより発電効率重視の運転あるいは熱回収効率重視の運転を選択すると、選択したモードに従って運転が行われる。発電効率重視の運転あるいは熱回収効率重視の運転においてあらかじめ各効率が設定される。
熱電併給型燃料電池発電装置の運転制御の概念は図４によって示される。図４中、１００はマイコンで、判断手段１０２、データ記憶手段１０４、運転モード制御手段１０６を有する。１４０は改質器、１４２は改質器バーナで、改質器バーナ用送風機１４６および燃料ガス流量制御弁１４４を備えている。１５０は一酸化炭素変成器、１６０は一酸化炭素除去器、１７０は燃料電池、１３０は運転スイッチ、１２０は選択スイッチ、２００は貯湯タンク、３００は系統連係用インバータをそれぞれ示す。
使用者が選択スイッチ１２０により発電効率重視の運転モードを選択すると、設定されたその効率に基づきあらかじめ設定された規定量の空気が減るように、改質器バーナ１４２の送風機１４６を制御する。この場合、改質器バーナに供給する燃料ガスを減らすことが可能であるので、その制御を制御弁１４４によって行う。また、使用者が熱回収効率重視の運転モードを選択すると、同様に、設定されたその効率に基づきあらかじめ設定された規定量の空気が増加するように、送風機１４６を制御する。また、この場合発電出力を通常モードの場合と同じにしたい場合には、改質器バーナに供給する燃料ガスを規定量増やす制御を制御弁１４４によって行う。
また、本発明の熱電併給型燃料電池発電装置は、少なくとも燃料電池および熱回収装置を有し、かつ発電効率と熱回収効率の比を制御する手段を有することを特徴とする。前記発電効率と熱回収効率の比を制御する手段は、燃料電池に改質ガスを供給する改質器用の改質器バーナへの空気の供給量を制御する手段を有するものが好ましい。
【００１９】
【実施例】
以下に実施例を示し本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
実施例１
図２に示すような熱電併給型燃料電池発電装置を用い、改質器バーナの空気比を１．５にして定常運転を行った。この際の発電効率は２２％であり、また、熱回収効率は２２％であった。この状態から、改質器バーナの空気比を１５％増加させると、発電効率は１４％に、また、熱回収効率は３０％に変化した。また、前記定常運転から空気比を１５％減らすと、発電効率は３０％に、また熱回収効率は１４％に変化した。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の方法によると、熱電併給型燃料電池発電装置の運転において、特に新たな設備投資を行うことなく、改質器バーナの空気供給量を制御することにより、容易に発電効率および熱回収効率の比を制御することができるので、発電効率重視の運転あるいは熱回収効率重視の運転に容易に転換させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 改質器バーナの空気比を変化させた場合の発電効率および熱回収効率の変化を示す概念図である。
【図２】 本発明の運転方法が適用される熱電併給型燃料電池発電装置の一例を示す概念図である。
【図３】 本発明の運転方法におけるシーケンス制御の一例を示す。
【図４】 熱電併給型燃料電池発電装置の運転制御を示す概念図である。
【符号の説明】
３、１４０：改質器
４、１５０：一酸化炭素変成器
５、１６０：一酸化炭素除去器
６、１７０：燃料電池
１２、１４２：改質器バーナ
１４、１４６：改質器バーナ用送風機
９８、２００：貯湯タンク
１００：マイコン
１２０：選択スイッチ

Claims (2)

1. 少なくとも燃料電池および熱回収装置を有する熱電併給型燃料電池発電装置であって、発電効率と熱回収効率の比を制御する手段を有し、前記発電効率と熱回収効率の比を制御する手段は、燃料電池に改質ガスを供給する改質器用の改質器バーナへの空気の供給量を設定空気比の範囲において予め定められた供給量に制御する手段を有し、前記改質器バーナにおいて燃焼した燃焼ガスは、水タンクからの水と熱交換する熱交換器及び貯湯タンクからの水と熱交換する熱交換器を通って排出されることを特徴とする熱電併給型燃料電池発電装置。
2. 改質器からの改質ガスを燃料電池に導入して発電するとともに、熱を回収して温水を供給する熱電併給型燃料電池発電装置の運転方法において、改質器バーナに供給する空気量を設定空気比の範囲において予め定められた供給量に制御することにより、発電効率と熱回収効率の比を制御し、かつ、前記改質器バーナにおいて燃焼した燃焼ガスは、水タンクからの水と熱交換する熱交換器及び貯湯タンクからの水と熱交換する熱交換器を通って排出されることを特徴とする熱電併給型燃料電池発電装置の運転方法。

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