JP4590872B2

JP4590872B2 - 燃料電池発電装置の運転方法

Info

Publication number: JP4590872B2
Application number: JP2004017734A
Authority: JP
Inventors: 透清田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP2005216488A

Description

本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵させて発生したバイオガス或いは都市ガス等の炭化水素系燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する方式を採用した燃料電池発電装置の運転方法に関する。

燃料電池は、負荷が高い状態では、低電圧、高電流であり、負荷が低い状態では、高電圧、低電流という特徴がある。電流が高い状態（高負荷状態）ではそれだけ多くの水素が反応しており、反応の増加に伴って抵抗分極（電気抵抗に起因するロス）、活性分極（反応活性に起因するロス）、濃度分極（反応物或いは生成物の移動が不十分になって起こるロス）が増え、燃料電池でロスとなるエネルギーの割合が多くなる。また、このエネルギーロスは熱エネルギーの形となって現れる。従って、燃料電池の運転温度を一定に制御しようとした場合、負荷の高い条件では燃料電池から回収される熱エネルギーの割合は多くなり、システム上必要とされる改質用蒸気を製造する熱エネルギーだけでなく、コージェネレーションシステムとして利用できる排熱回収割合が増加する。

一方、負荷の低い条件では、負荷の減少に伴い、徐々に燃料電池でロスとなるエネルギーの割合が減少し、燃料電池の運転温度を一定に維持しようとすると、回収される熱エネルギーの割合が減ってきて、最終的に改質用蒸気を製造する熱エネルギーを除くと回収熱量ゼロの負荷が存在し、それ以下では燃料電池の運転温度が維持出来ないということになる。即ち、燃料電池発電装置には燃料電池が熱自立できる最低負荷というものが存在する。

この最低負荷を下回る条件で運転しようとすると、高負荷条件とは逆に燃料電池に熱を供給し、運転温度を維持させることになる。即ち、最低負荷以下での運転では何らかの加熱手段が必要になり発電効率は著しく低下する。そこで、一般的にはこの最低負荷（システム構成によって異なるがおよそ25〜40%程度）以下の条件では運転しない、或いは起動時の起動用昇温電気ヒータを利用し、運転温度の維持を図るという手段が取られている。

ここで、燃料電池の温度を一定に制御するための手段は、一般的には冷却水(電池冷却水)を用いて、高負荷条件では、燃料電池の発電ロスである熱エネルギーを回収する、一方、最低負荷以下の条件では起動用昇温電気ヒータで昇温した冷却水を燃料電池に通水し、熱を供給することで一定の運転温度に制御する方法が採用されている。

図２は、前記のような従来の都市ガス燃料を使用した固体高分子型燃料電池発電装置を模式的に表した概略構成図である。システム構成とその動作の詳細は、後述する図１により述べるが、図２においては、起動用昇温電気ヒータ１６が冷却水タンク１２内に設置され、最低負荷以下の運転負荷においてこのヒータ１６で昇温した冷却水を燃料電池本体５に通水し、熱を供給することで一定の運転温度に制御する方法が採用されている。

ところで、電気ヒータを使用せずに、イニシャルコスト及びランニングコストで有利である燃料燃焼方式を採用して、特定の目的で、この燃焼熱を供給して利用するシステムが、種々、提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

例えば、特許文献１は、起動時にバーナで燃料を燃焼させ、その燃焼排ガスと電池冷却水とで熱交換器により熱交換させ、昇温された電池冷却水を燃料電池へ通水することで燃料電池を運転温度まで加熱する方法を開示している。

また、特許文献２は、燃料電池発電装置の停止中において、燃料を触媒燃焼器又はバーナ燃焼器にて燃焼させ、装置内部を加温する方法を開示している。

さらに、特許文献３は、有機性廃棄物をメタン発酵させて発生したバイオガスを燃焼器で燃焼させ、得られた燃焼熱を改質反応熱と反応温度の維持に利用する方法を開示している。
特開２００１−９３５５０号公報特開平７−１６９４７６号公報特開２００１−２３６７７号公報

ところで、前述のように燃料電池発電装置には燃料電池が熱自立できる最低負荷というものが存在する。しかしながら、上記特許文献１〜３のいずれの開示例においても、燃料電池発電装置の燃料電池が熱自立できる最低負荷以下での負荷運転において、燃料電池発電装置で運転に使用する燃料を燃焼器で燃焼させ、その燃焼熱を用いて燃料電池の運転温度を一定に維持するという記載はない。

この最低負荷を下回る条件で運転しようとすると、高負荷条件とは逆に燃料電池に熱を供給し、運転温度を維持させることになる。即ち、最低負荷以下での運転では何らかの加熱手段が必要になり発電効率は著しく低下する。そこで、一般的にはこの最低負荷（システム構成によって異なるがおよそ25〜40%程度）以下の条件では運転しない、或いは起動時の起動用昇温電気ヒータを利用し、高価な電気料金を支払いながら、燃料電池運転温度の維持を図り、発電を行なうという矛盾が生じている。

さらに、起動時には一般的にはランニングコストの高価な起動用電気ヒータを用いて電池冷却水及び燃料電池を昇温する、或いは特許文献１に開示されたように燃焼器を別置きにし、熱交換器によって熱交換を行なうという伝熱効率に劣る加熱手段を用いて電池冷却水及び燃料電池を昇温するという方法が採用されている。

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、最低負荷以下の運転負荷において、ランニングコストが高価となる起動用昇温電気ヒータを使用しない安価な燃料電池発電装置の運転方法を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、有機性廃棄物をメタン発酵させて発生したバイオガスあるいは都市ガスを燃料とし、改質器バーナを有し前記燃料を水素リッチなガスに改質する改質器を備えた燃料電池発電装置の部分負荷運転において、燃料電池発電装置の予め定めた最低負荷以下の部分負荷運転時に使用する、前記改質器バーナとは異なる燃焼器を備え、前記燃料を前記燃焼器で燃焼させたエネルギーを用いて燃料電池の温度を維持することを特徴とする（請求項１）。

また、請求項１の運転方法において、前記部分負荷とは、燃料電池発電装置の運転において燃料電池が熱自立できない負荷範囲であることを特徴とする（請求項２）。

さらに、前記請求項１または２に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記燃焼器は、バーナ方式或いは触媒燃焼方式とすることを特徴とする（請求項３）。

また、前記請求項３に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記燃焼器は、電池冷却水系統或いは冷却水タンクにビルトインし電池冷却水を直接加熱する方式とすることを特徴とする（請求項４）。

さらに、前記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記燃焼器は、前記部分負荷運転時以外に、燃料電池発電装置の起動時に燃焼させ、燃料電池を昇温することを特徴とする（請求項５）。

本発明に係る上記運転方法を用いることによって、例えばバイオガスを燃料とする燃料電池発電装置の場合には、有機性廃棄物をメタン発酵させてバイオガスを発生させるメタン発酵設備から供給されるバイオガス流量は、メタン菌という微生物の分解能力及び投入有機性廃棄物量によって律せられるため燃料電池の発電電力に合わせたガス発生量の制御は不可能であり、低負荷運転では、一般に余剰のバイオガスは余剰ガス燃焼器によって燃焼され、大気中に排気されている。即ち、この廃棄している燃料を使用して燃料電池の運転温度を一定に維持するのであるから、ランニングコストアップは実質ゼロであり、更に最低負荷以下の運転負荷領域まで実質の効率を下げることなく運転可能であるという利点が生まれる。

イニシャルコストに関しても、燃料電池の改質器用に開発したバーナ或いは触媒燃焼器を流用し、電池冷却水配管又は電池冷却水タンクに配設（ビルトイン）する構造を採用することで非常に安価な加熱手段が実現出来る。また、本発明においては、燃焼用空気ブロアと燃料ガス遮断弁が追加となるが、各々数千円程度の市販ブロア及び市販遮断弁の採用が可能であり、起動時昇温用電気ヒータを削除することでイニシャルコストは相殺される。

さらに、燃料がバイオガスではなく都市ガスの場合でも例えば家庭用固体高分子型燃料電池を想定すると、一般的な家庭の契約都市ガス料金は120円/Nm³であり、契約電気料金は23円/kWhと考えられる。ここで、燃料電池が熱自立するのに必要な熱量が1kWであったと仮定し、電気ヒータを使用した場合の伝熱効率を100%、都市ガスを使用した場合の伝熱効率を60%と仮定した場合、1kWの熱量を燃料電池に伝えるのにランニングコストはいくらかかるのか試算すると以下のようになる。
(1)電気ヒータの場合
1kW／(100%／100%)×(23円/kWh)＝23円/h
(2)都市ガスの場合
1kW×(3600kJ/h)／(41000kJ/Nm³ as LHV)／(60%／100%)×120円/Nm³＝17.6円/h
以上のように都市ガスを使用した場合の方が電気を使用する場合よりもランニングコストが低くなることが分かる。また、上記の仮定では、都市ガスを使用した場合の伝熱効率を60%と仮定しているが、電池冷却水系統或いは冷却水タンクに直接燃焼器をビルトインしたハイブリッド方式を採用すれば効率は高くなることが想定されるため、ランニングコストは更に低くなることが予想される。

起動時にこのハイブリッド燃焼方式を採用した場合と電気ヒータを使用して昇温した場合のランニングコスト比較に関しても上記の計算同様ハイブリッド燃焼方式の方がランニングコストを低く抑えられることが分かる。

この発明によれば、例えばバイオガスを燃料とする燃料電池発電装置の場合には、上記のようにランニングコストアップは実質ゼロであり、更に最低負荷以下の運転負荷領域まで実質の効率を下げることなく運転可能であるという利点が生まれる。

また、イニシャルコストに関しても、燃料電池の改質器用に開発したバーナ或いは触媒燃焼器を流用し、電池冷却水配管又は電池冷却水タンクにビルトインする構造を採用することで非常に安価な加熱手段が実現出来る。更に、本発明においては、燃焼用空気ブロアと燃料ガス遮断弁が追加となるが、各々数千円程度の市販ブロア及び市販遮断弁の採用が可能であり、起動時昇温用電気ヒータを削除することでイニシャルコストは相殺される。

さらに、都市ガスを燃料として使用する場合にも上記の検討結果に示すようにランニングコストでメリットが生まれる。

次に、この発明の実施例に関して、図１に基いて説明する。図１は、本発明に係る都市ガス燃料を用いた固体高分子型燃料電池発電装置の模式的概略構成図である。図２との相違点は、起動時昇温用電気ヒータ１６に代えて、図１においては、燃焼空気ブロア１３、起動時および部分負荷用の燃焼器１４、遮断弁１５を設けた点である。

図１において、都市ガスは脱硫器１を通過し、硫黄分を除去された後、改質器２、変成器３、CO除去器４を通過する間に改質され水素リッチなガスとなり、燃料電池本体５へと導かれる。ここで燃料電池本体５の電気化学反応に寄与しなかった残りの改質ガスは、改質器バーナ６へと導かれる。一方、燃焼用空気は燃焼空気ブロア９から導入され、空気予熱器７で予熱され、改質器バーナ６へと導かれ燃焼反応に寄与する。改質器バーナ６で燃焼されたガスはその燃焼熱の一部を改質器２の反応熱として与えた後、改質器から導出される。ここで残りの熱エネルギーを空気予熱器７で燃焼空気ブロア９からの燃焼空気に与え、続いて蒸気発生器８で改質用水ポンプ１１から供給された改質用水に熱エネルギーを与え蒸発させ、最終的に大気中に排気される。

冷却水タンク１２はバーナ方式或いは触媒燃焼方式の燃焼器１４がビルトインされた高効率伝熱タイプのハイブリッド構造となっている。このビルトインハイブリッド方式は冷却水タンク１２ではなく、冷却水配管中にビルトインされる形式としてもよい。燃料電池発電装置の最低負荷以下の負荷で運転する場合には、遮断弁１５を開とし、分岐した都市ガスと燃焼空気ブロア１３から供給される燃焼空気とを混合させ燃焼器１４へと送り込み燃焼させ、その燃焼熱で冷却水タンク１２内の電池冷却水を昇温させる。この昇温された冷却水を電池冷却水ポンプ１０で循環させ、燃料電池本体５へ送り込み燃料電池本体を加温し、運転温度を一定に維持する。

また、起動時にはこの高効率伝熱タイプのハイブリッド方式燃焼器１４を使用し、燃料電池発電装置の最低負荷以下の負荷での運転同様の操作で電池冷却水に熱を与え、燃料電池本体５を所定の温度まで昇温させる。

さらに、燃焼器１４は冷却水タンク１２又は冷却水配管中に設置する高効率伝熱タイプのハイブリッド方式とはせずに、例えば、前記特許文献１に開示されているような燃焼器１４を外部設置の熱交換器を用いた電池冷却水昇温構造としてもよい。

本発明に関わる燃料電池発電装置の模式的概略構成図。従来の燃料電池発電装置の模式的概略構成図。

符号の説明

１脱硫器
２改質器
３変成器
４ CO除去器
５燃料電池本体
６改質器バーナ
７空気予熱器
８蒸気発生器
９燃焼空気ブロア
１２冷却水タンク
１３燃焼空気ブロア
１４起動時および部分負荷用の燃焼器
１５遮断弁

Claims

有機性廃棄物をメタン発酵させて発生したバイオガスあるいは都市ガスを燃料とし、改質器バーナを有し前記燃料を水素リッチなガスに改質する改質器を備えた燃料電池発電装置の部分負荷運転において、燃料電池発電装置の予め定めた最低負荷以下の部分負荷運転時に使用する、前記改質器バーナとは異なる燃焼器を備え、前記燃料を前記燃焼器で燃焼させたエネルギーを用いて燃料電池の温度を維持することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
前記部分負荷とは、燃料電池発電装置の運転において燃料電池が熱自立できない負荷範囲であ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の運転方法。
前記燃焼器は、バーナ方式或いは触媒燃焼方式とす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の運転方法。
前記燃焼器は、電池冷却水系統或いは冷却水タンクにビルトインし電池冷却水を直接加熱する方式とす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の運転方法。
前記燃焼器は、前記部分負荷運転時以外に、燃料電池発電装置の起動時に燃焼させ、燃料電池を昇温することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の運転方法。