JP4442204B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池発電システム、特にバイオガスを原燃料として水蒸気改質した燃料ガスを利用する燃料電池発電システムに関する。
この種の燃料電池発電システムの従来例について、図３を参照しつつ説明する。
図３に示すシステムにおいて、原燃料であるバイオガス１は、昇圧ブロア１５と原燃料調節弁１８を介して先ず脱硫器３に送られ、配管系統や機器に悪影響を及ぼす硫黄成分が除去されてエゼクタ２２に送られる。このエゼクタ２２は水蒸気分離器６から改質蒸気流量調節弁２０を介して供給される水蒸気を駆動流体とし、脱硫器３から送られてきた脱硫ガスを被駆動流体として、これらを混合するとともに改質器２に移送する。
移送されたガスは、改質器２において、改質触媒の触媒作用の下で、燃料電池５のオフガスのバーナーによる燃焼にさらされ加熱させられて、水素リッチなガスに改質される。
この改質ガスはＣＯ変成器４にて一酸化炭素含有量を大幅に減らされたのち、燃料電池５のアノード極側に供給され、そこで水素を消費した後、いわゆるオフガスとなって前記のとおり改質器２において燃料ガスとして燃焼させられる。
この改質ガスはＣＯ変成器４にて一酸化炭素含有量を大幅に減らされたのち、燃料電池５のアノード極側に供給され、そこで水素を消費した後、いわゆるオフガスとなって前記のとおり改質器２において燃料ガスとして燃焼させられる。
以上の構成は、常圧りん酸型燃料電池について、たとえば非特許文献１にて公知である。
燃料電池のカソード側は酸素極（一般には空気極）であって、電池反応空気ブロワ９から空気が供給され、そこで酸素を消費された空気が、燃料電池の反応によって生成された生成水を伴って排ガス冷却器１１に送られる。図３の例ではこの冷却器には改質器２における燃焼排ガスも供給されている。排ガス冷却器１１の凝縮水タンク１０に蓄えられた水は、回収水ポンプ１２、必要な水処理を行う水処理装置１３、及び給水ポンプ１４を経て、水蒸気分離器６の水と共に電池冷却水循環ポンプ８に送られ、電池冷却水系７を介して燃料電池５の冷却系統（例えば、燃料電池セル間に介挿された冷却板の貫通流路）に導かれ、所定の冷却を終えた後、再び水蒸気分離器６に戻される。水処理装置１３を出た水は、処理の完全を期すために再循環されている。
図３の従来例では、さらに原燃料流量計１７からの流量測定値と、改質器２の燃焼温度を測定する温度センサ１９からの温度測定値とを入力とする調節器２１が設けられており、この調節器により、原燃料流量調節弁１８の弁開度が調節される。このほかに昇圧ブロアの吐出圧Ｐを測定する昇圧ブロア吐出圧力計１６が設けられているが、従来例においては燃料電池の運転制御には直接利用されていない。
ところで、燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを、機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソ―ド側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。
図３に示す燃料電池５では、以下の電気化学反応が行われる。
式（１）はアノード側に於ける反応、式（２）はカソ―ド側に於ける反応を表し、燃料電池全体では式（３）に表す反応が進行する。
Ｈ2→２Ｈ+ ÷２ｅ― ………（１）
１／２Ｏ2十２Ｈ+÷２ｅ―→Ｈ2Ｏ ………（２）
Ｈ2+１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ ………（３）
燃料電池発電装置は、使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。
１／２Ｏ2十２Ｈ+÷２ｅ―→Ｈ2Ｏ ………（２）
Ｈ2+１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ ………（３）
燃料電池発電装置は、使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。
通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。
そのため、この様な燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、図３において説明したように、改質器および一酸化炭素変成器が設けられており、この改質器および―酸化炭素変成器において原燃料の改質を行ない、燃料ガスを生成している。下記の式（４）は、改質器におけるメタンの改質反応について示したものである。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 （+206.14 KJ/m：吸熱反応）………（４）
式（４）に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、例えば燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにて粒状改質触媒を600〜700℃に保つことにより、水素に富む（以下では「水素リッチ」と称することがある。）改質ガスを生成する。
式（４）に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、例えば燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにて粒状改質触媒を600〜700℃に保つことにより、水素に富む（以下では「水素リッチ」と称することがある。）改質ガスを生成する。
改質器を出たこの改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために一酸化炭素変成器に供給され、ここで―酸化炭素は１％以下に低減される。
下記式（５）は、―酸化炭素変成器における―酸化炭素の変成反応について示す。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 (−41.17 KJ/mol： 発熱反応)………（５）
式（５）に示されるとおり、―酸化炭素の変成反応は発熱反応であるので、変成反応温度である160〜250℃に保つためには冷却が必要となる。
式（５）に示されるとおり、―酸化炭素の変成反応は発熱反応であるので、変成反応温度である160〜250℃に保つためには冷却が必要となる。
上記の改質器における反応は、原燃料系から供給される原燃料を、水蒸気分離器で分離された水蒸気とともに、改質触媒下にてバーナーでの燃料オフガスの燃焼による燃焼熱により加熱して、水素に富むガスに改質して改質ガスを生成する。この水蒸気分離器からの水蒸気は、改質器に向かう原燃料と混合される。その際、元圧の低い原燃料との混合を行うために、エゼクタを使用している。このエゼクタは蒸気を駆動流体とするとともに、原燃料を被駆動流体とする。このエゼクタは、駆動蒸気量が多いほど被駆動流体を移送する能力が向上する。
一方、原燃料にバイオガスを使用する場合は、一般的に元圧が低いことが多い。このような場合は、燃料電池発電装置に入る前の原燃料系に、昇圧を目的にした昇圧ブロアを設置する。
―般的に前記に示す化学反応により発電する燃料電池発電システムにおいて、従来は都市ガスを燃料とするケースが多く、組成も基本的に安定しているので出力に応じ必要な原燃料流量は、常に安定している。
しかし、原燃料にバイオガスを用いる場合は、発生するバイオガス中のメタン濃度が、昼夜、季節およびメタン発酵設備の運転状況や操作の方法などによって変化するため、バイオガスを燃料とする燃料電池発電システムは、通常、燃料オフガスを使用している改質器の温度調節器の出力値である指令値で原燃料流量を調節している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２２９９４１号公報（第５頁第８欄第２８行以降）
東大モデルデータベースＮｏ．ｔｍｄ０００１２
このように、従来技術においては、メタン濃度が下がり、原燃料の発熱量が低下した場合、この組成変動を改質器の温度調節器の出力値である指令値を介してフィードバツクさせることにより原燃料を増やし、改質器から燃料電池に供給される水素量を結果的に減らすことなしに、燃料電池における水素不足、いわゆるガス欠を防止している。
もし、ガス欠が生じた場合には、燃料電池セルに電気化学的反応成分である水素が十分に供給されず、燃焼の偏在に伴ってセルに熱歪み等に基づく損傷を与える可能性がある。
ところが、バイオガスは、有機性廃棄物の嫌気性発酵で発生するため、有機性廃棄物の投入量や運転条件により、発生ガス量が大きく変動する。メタン濃度は通常は６０％前後であるが、場合によっては一時的に５５％以下に低下することもありうる。
このようにメタン濃度が下がった場合には、原燃料の流量を増やすことが必要となるが、原燃料流量計、原燃料流量調節弁、原燃料系配管／機器に流せる流量は、管径や容積により機械的に上限値が決まってしまうため、メタン濃度がある限度を超えて低下した場合には、原燃料の許容流量に見合った分だけ燃料電池出力を低下させなければならない。
この結果、発電電力量が減少し、必要な電力量が確保できないこと、及びバイオガス処理能力が低下し、余ったバイオガスを大気へ放出しなければならないなどの問題が発生する。
この対策として原燃料流量計、原燃料流量調節弁、原燃料系配管／機器の管径や容量をメタン濃度が下がった状態に合わせて決めると、装置が大きくなって設備コストの増加を招くなど実用上の問題が多い。
本発明は、原燃料組成の変動を、原燃料供給系の通常運転時の供給可能な流量上限でカバーしきれなくなった場合においても、燃料電池出力を所望のレベルに維持し、仮に燃料電池出力を低下させる場合においても、可能な限り高い燃料電池出力を確保することができるようにし、また極力高いメタン処理能力を確保することができるようにした燃料電池発電システムを提供しようとするものである。
上記問題を解決するために、本発明によれば、バイオガスを主とする原燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に改質用の水蒸気と共に原燃料を圧送するエゼクタと、前記改質ガスと酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電システムにおいて、バイオガス中のメタン濃度の変化に応じて、前記エゼクタの蒸気流量を増減させ、その際、前記メタン濃度の増減は前記改質器の温度の増減に基づいて検知し、前記メタン濃度が低下した場合、前記エゼクタの蒸気流量を増加するようにし（請求項１の発明）、原燃料を供給するためのポンプの役割を果たしているエゼクタの駆動蒸気量を増減させることにより、原燃料の供給能力を向上させる。
このエゼクタの駆動蒸気は、原燃料を改質器で水素に改質するために使われ、水蒸気とガス中の炭化水素（メタン、エタンなど）の炭素数の比率Ｓ／Ｃとして、改質器における改質反応に最適な蒸気量から決められている。通常のメタン濃度６０％程度では、最適な蒸気量で運転し、メタン濃度が下がった場合、エゼクタ能力を向上させるため、蒸気量を増やす。この蒸気量は、改質器の温度調節器の指令値を参照することなどにより制御する。さらにメタン濃度が下がり必要な蒸気量が増加し、システムとして限界に達した場合は、燃料電池出力を下げて対応する（請求項２の発明）。
上記問題を解決するための別方法として、本発明によれば、バイオガスを主とする原燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する改質器と、前記原燃料を昇圧する昇圧ブロアと、前記改質器に改質用の水蒸気と共に原燃料を圧送するエゼクタと、前記改質ガスと酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電システムにおいて、バイオガス中のメタン濃度の変化に応じて、前記昇圧ブロアの吐出圧力を増減させ、その際、前記メタン濃度の増減は前記改質器の温度の増減に基づいて検知し、前記メタン濃度が低下した場合、前記昇圧ブロアの吐出圧力を増加するようにし（請求項３の発明）、燃料電池装置へ原燃料を供給する昇圧ブロアの吐出圧力を変更し、原燃料の供給能力を向上させる。
通常の６０％程度のメタン濃度では、最適なブロア吐出圧力値で運転し、メタン濃度が下がった場合、ブロア吐出圧力を増やす。この吐出圧力値は、改質器の温度調節器の指令値を参照することなどにより制御する。さらにメタン濃度が下がりブロアの吐出圧力がブロア能力の限界に達した場合は、燃料電池出力を下げて対応する（請求項４の発明）。
また、上記のエゼクタ能力の向上と、昇圧ブロアの吐出圧増加の兼用も可能である。
上記のとおり、この発明の燃料電池発電システムは、エゼクタの駆動蒸気量を調節し、移送能力を向上させる。または、昇圧ブロアの吐出圧力を制御する手段を備えるものとしたので、バイオガス中のメタン濃度が低下しても、発電出力及びメタン処理能力を維持または、極力高く保ち、安定した燃料電池発電装置の運転ができる。
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの実施例１の概略構成を示す。
この燃料電池発電システムは、基本的にはバイオガスなどの原燃料１をアノードガス原料として発電するものであって、図３に示した従来例と同様に、燃料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器３と、原燃料１を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と、改質ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ変成器４と、水素リッチな改質ガスを燃料極（アノード）に導入すると共に空気を空気極（カソ―ド）に導入し発電を行う燃料電池５と、改質器２に送る蒸気量を調節する改質蒸気流量調節弁２０と、蒸気と原燃料１を混合して改質器２へ送り込む役割を果たすエゼクタ２２とで主として構成される。エゼクタ２２は脱硫した原燃料と蒸気とを混合する機器として多用されており、可動部がなく応答が他の機器に比べてかなり早いので、動特性は殆ど無視することが可能である。その余の機器の構成は図３に示すものと同様である。
原燃料１のメタン濃度が低下した場合、原燃料１の熱量が低下する。このため燃料電池５でメタン濃度が低下する前と同じ発電出力を得ようとすると、燃料オフガス中の熱量は低下し、改質器２の温度が低下する。これを温度センサ１９で検知し、メタン濃度が低下したと判断し、メタン濃度が低下する前と同じ熱量を得るために、原燃料流量調節弁１８を開き原燃料１の流量を増やす。しかし、メタン濃度が大きく低下した時は、原燃料流量調節弁１８が限界に達する。ここでエゼクタ２２への駆動蒸気量を調節している改質蒸気流量調節弁２０を開き、蒸気量を増加させて、エゼクタ２２の移送能力を上げる。
この状態においても、エゼクタ２２の移送能力が限界に達した場合は、燃料電池５での発電出力を低下させて最適な出力に制御する。
図４は本発明の実施例１の制御フローを示すもので、先ず原燃料流量調節弁１８の開度を上昇させ、この開度がある限界値（処理移行開始弁開度）を超えると、改質蒸気流量調節弁２０の開度を増加させて、エゼクタの駆動蒸気量を増加させるが、改質蒸気流量調節弁の開度が限界に達して、なおも原燃料流量調節弁１８の開度が上記の処理移行開始弁開度を越えている場合には、最後の手段として燃料電池出力を低下させる。そして、原燃料流量調節弁１８の開度が限界値を下回ったら、このフローを終了する。
エゼクタ２２の駆動蒸気量を増加させることは、排熱回収量が減少することになるが、発電電力量を優先させたい場合とメタン処理能力を優先させたい場合においては有効である。特にバイオガスを発生するメタン発酵プラントにおいては、―般的にメタン処理能力を優先させることが必要である。
図２は本発明の実施例２の概略構成を示す。この実施例では、実施例１で示したエゼクタの駆動蒸気量を制御する代わりに、燃料電池発電装置外にある、昇圧ブロア１５の運転を制御する。すなわち、図２に示す調節器２１は、操作端として昇圧ブロア１５の吐出圧調整機構を持つ。
図５は本発明の実施例２の制御フローを示すもので、実施例１と同様に、先ず原燃料流量調節弁１８の開度を上昇させ、この開度がある限界値（処理移行開始弁開度）を超えると、昇圧ブロアの吐出圧力を増加させて、単位時間あたりの燃料流量を増加させるが、昇圧ブロアの吐出圧力増加が限界値に達してもなお原燃料流量調節弁１８の開度が上記の処理移行開始弁開度を越えている場合には、最後の手段として燃料電池出力を低下させる。そして、原燃料流量調節弁１８の開度が限界値を下回ったら、このフローを終了する。
１ 原燃料
２ 改質器
３ 脱硫器
４ ＣＯ変成器
５ 燃料電池
１５ 昇圧ブロア
２１ 調節器
２２ エゼクタ
２ 改質器
３ 脱硫器
４ ＣＯ変成器
５ 燃料電池
１５ 昇圧ブロア
２１ 調節器
２２ エゼクタ
Claims (4)
- バイオガスを主とする原燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に改質用の水蒸気と共に原燃料を圧送するエゼクタと、前記改質ガスと酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
バイオガス中のメタン濃度の変化に応じて、前記エゼクタの蒸気流量を増減させ、その際、前記メタン濃度の増減は前記改質器の温度の増減に基づいて検知し、前記メタン濃度が低下した場合、前記エゼクタの蒸気流量を増加することを特徴とする燃料電池発電システム。 - バイオガス中のメタン濃度の変化に応じて、まずは原燃料流量の増減を優先して行い、次にエゼクタの蒸気流量を増減し、次いで燃料電池出力を増減させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- バイオガスを主とする原燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する改質器と、前記原燃料を昇圧する昇圧ブロアと、前記改質器に改質用の水蒸気と共に原燃料を圧送するエゼクタと、前記改質ガスと酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電システムにおいて、バイオガス中のメタン濃度の変化に応じて、前記昇圧ブロアの吐出圧力を増減させ、その際、前記メタン濃度の増減は前記改質器の温度の増減に基づいて検知し、前記メタン濃度が低下した場合、前記昇圧ブロアの吐出圧力を増加することを特徴とする燃料電池発電システム。
- バイオガス中のメタン濃度の変化に応じて、まずは原燃料流量の増減を優先して行い、次に昇圧ブロアの吐出圧力を増減し、次いで燃料電池出力を増減させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
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| JP2003399305A JP4442204B2 (ja) | 2003-11-28 | 2003-11-28 | 燃料電池発電システム |
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