JP5282472B2 - 燃料電池発電システムの運転方法 - Google Patents
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Description
H2→2H++2e− ………(1)
1/2O2+2H++2e−→H2O ………(2)
H2+1/2O2→H2O ………(3)
図1は本発明の一実施の形態に係る燃料電池発電システムの全体構成図である。
本発明の一実施の形態に係る燃料電池発電システムは、下水汚泥を嫌気性発酵させたときに発生する消化ガスを燃料としている。燃料電池本体11は、燃料極12及び空気極13からなる複数の単位セルと、当該単位セルを複数個重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却板14とから構成される。燃料電池本体11の前段に、燃料改質系機器としての燃料改質器15、脱流器16及びCO変成器17が設けられている。
Wout=Wa+Wb−Wc−Wd
Wa:系外から導入されるガス中の水分量
Wb:原燃料ガスの燃焼により生成する水分量
Wc:改質ガス冷却器の凝縮水量
Wd:排ガス冷却器流通後の排気ガス中の水分量
Wout:回収水排出配管46から排出される回収水排水量
本実施例では、りん酸形燃料電池発電システムに、消化ガスを47.34Nm3/h(dry:消化ガス中の水分量を除いた流量の値)の流量で供給して運転する場合について説明する。尚、燃料電池発電システムに供給される消化ガス中の水分量は、嫌気性消化設備側に設けられたノックアウトドラムでの水分除去の条件に基づいて、その圧力と温度から算出され、さらにこの水分量を除いて前記消化ガス流量(dry)が求められる。
改質ガス冷却器22の凝縮水量(Wc)は、下式から算出される。
Wc=消化ガス中の水分(a)+改質用蒸気量(b)−改質反応で消費した水分(c)−改質ガス冷却器22を出る改質ガス中の水分(d)
消化ガス中の水分量は、上記のとおりノックアウトドラムの温度及び圧力およびガス流量から算出され、本実施例では0.618kg/hであった。
燃料改質器15では、次式の反応が起こっている。
CH4 + H2O → CO + 3H2 ・・・ (I)
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 ・・・ (II)
改質ガス中のCOの量=消化ガス流量*換算係数*改質ガス中のCO濃度
ここで、換算係数および改質ガス中のCO濃度は、性能評価試験および運転条件により予め求められる値である。本実施例では、換算係数は3.0959、CO濃度は、0.5%dryであるので、
改質ガス中のCOの量=47.34*3.0959*0.005=0.733[Nm3/h]
である。従って、上記(I)式の反応で消費された水の量は、
0.733/22.414*18.015=0.589[kg/h]
と算出された。
残メタン量=47.34*(1−0.9374)=2.963[Nm3/h]
従って、上記(II)式で反応したメタンの量は、消化ガス中のメタン濃度(測定値。本実施例では59.05%)から、上記残メタン量及び(I)式で反応したメタンの量(改質ガス中のCOモル数に同じ)を引いて、以下のように算出される。
(II)式で反応したメタン =47.34*0.5905-2.963-0.733=24.258[Nm3/h]
従って、(II)式によりCH4 と反応した水の量は、
24.258*2/22.414*18.015=38.994[kg/h]
と算出された。
よって、改質反応で消費した水分は、0.589+38.994 =39.583[kg/h]である。
改質ガス中に含まれる水分量は、改質ガス流量(消化ガス流量(dry)*換算係数)と、改質ガス冷却器22の温度および圧力(何れも測定値)及びの飽和水蒸気圧から次のように計算できる。なお、本実施例の改質ガス冷却器22内の温度は55℃、圧力は9.5kPa(gage)、55℃における飽和水蒸気圧は15.761kPa(abs)である。
従って、改質ガス冷却器22から出て行く改質ガス中に含まれる水蒸気流量は、
47.34*3.0959*15.761/((9.5+101.325)-15.761)/22.414*18.015=19.530[kg/h]
と算出される。
Wc=0.618+66.600+0.618−39.583−19.530
=8.105[kg/h]
排ガス冷却器24から排出される排気中の水分量は、排気ガス流量および排ガス冷却器24の凝縮温度により決まる。排気ガス流量は、燃料電池の出力電流に基づいて制御される各ガスの供給流量から、次のように算出される。
CO2 =47.34[Nm3/h]
N2 =365.53*0.79+120.47*0.79=383.94[Nm3/h]
O2 =365.53*0.21+120.47*0.21-47.34*0.5905*2=46.15[Nm3/h]
排気ガス流量=47.34+383.94+46.15=477.43[Nm3/h]
Wd=8.070/101.325*(477.43/22.414)/(1.0-8.070/101.325)*18.015=33.207[kg/h]
カソード空気及び燃焼空気中に含まれる水分は、外気温および相対湿度の測定値および空気供給流量から算出できる。外気温20℃、相対湿度65%RHのとき、飽和水蒸気圧2.3392kPaから、大気中の水蒸気のモル分率は、2.3392 [kPa]*0.65/101.325[kPa]=0.015となる。従って、365.53 Nm3/hのカソード空気(dry)、120.476 Nm3/hの燃焼空気供給量(dry)と共に系内に導入される水分量は次のように算出される。
カソード空気中水分量=365.53*0.015/(1-0.015)/22.414*18.015=4.474[kg/h]
燃焼空気中水分量=120.476*0.015/(1-0.015)/22.414*18.015=1.475[kg/h]
また、消化ガス中の水分は、0.618[kg/h]であったから、系外から導入されるガス中の水分量(Wa)は、次のとおりである。
Wa=0.618+4.474+1.475=6.567 [kg/h]
改質反応、発電反応、アノードオフガスの燃焼により、消化ガス中のメタンが全て燃料することから、これらの反応による生成水の量は、原燃料ガスである消化ガス流量から次のように算出される。
47.34*0.5905*2/22.414*18.015=44.936[kg/h]
(1)〜(4)で算出した各値から、下記のとおり算出される。
Wout=Wa+Wb−Wc−Wd=6.567+44.936-8.105-33.207=10.191[kg/h]
本実施の形態では、外気の温度、湿度、排ガス冷却器22の凝縮温度に基づいて、余剰回収水の排水量を算出する。回収水排水量(Wout)が5kg/h以上となり、かつ必要凝縮水量が5kg/h以上となる改質ガス冷却器22の凝縮温度を求めると、上記した条件では54℃以上57℃以下となる。そこで、排ガス冷却器22の凝縮温度を54℃以上57℃以下となるように制御する。
本実施の形態にかかる燃料電池システムでは、下水汚泥を嫌気性発酵させたときに発生する消化ガスが燃料として供給される。供給される消化ガス中に含まれる硫化水素を脱硫器16で除去した後、エジェクタ19で改質蒸気と混合して燃料改質器15に導入する。その後、燃料改質器15にて水素リッチな改質ガスを生成し、CO変成器17を通してCO濃度を1%以下まで低減する。CO除去後の改質ガスを改質ガス冷却器22で約50℃まで冷却して、改質ガス中の水分を凝縮させるとともに、改質ガス中に含まれるアンモニアを凝縮水に溶解させて除去している。
このとき、排ガス冷却器22の凝縮温度を54℃以上57℃以下となるように制御する。改質ガス冷却器22の凝縮温度は、改質ガス冷却器22の冷却水流量を調節することによって制御可能としている。具体的には、改質ガス冷却器22の出口温度の目標値をコントローラに設定し、コントローラは改質ガス冷却器22の出口温度を測定する温度センサ42の検出温度を取り込み、検出温度が設定値(目標凝縮温度)となるように改質ガス冷却器22の冷却水流量を開閉弁41により調節し、改質ガス冷却器22における凝縮温度を制御する。
燃料電池本体11の空気極13に供給される反応空気と燃焼改質器15のバーナ15aに供給される空気とは、それぞれ外気を取り入れているので、外気温と湿度によって、空気に含まれる水分は変わってくる。
Claims (4)
- 原燃料の改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質反応で副生した副生物を、前記改質ガスを冷却して生成させた凝縮水に溶解して当該凝縮水を排水する改質ガス冷却器と、前記改質ガス冷却器を流通後の改質ガスをアノードに、空気をカソードに供給される燃料電池本体と、前記燃料電池本体から排出されるアノードオフガスを改質器のバーナで燃焼させた後の燃焼排ガスとカソードオフガスとを冷却して得られた回収水を貯水し、余剰回収水を排水する排ガス冷却器とを具備した燃料電池発電システムの運転方法において、
予め求めた外気温と改質ガス冷却器の凝縮温度に対する回収水排水量との関係に基づき、前記燃料電池発電システムに外部から補給水を供給することなく、前記貯水された回収水が設定貯水量以上を維持するように、前記改質ガス冷却器の凝縮温度を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 - 前記制御を行っていても、前記貯水された回収水が前記設定貯水量を下回る場合には、外部から補給水を供給することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
- 前記改質ガス冷却器での凝縮温度を、生成する凝縮水量が設定値以上となる凝縮温度以下に制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
- 前記改質ガス冷却器に通流させる冷却水量を制御して前記改質ガス冷却器の凝縮温度を調節することを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の燃料電池発電システムの運転方法。
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