(57)【要約】【課題】バイオガスを原燃料とする燃料電池発電システムにおいて、燃料電池発電システムにバイオガスを供給する前にバイオガスを冷却して含有水分を除去する冷却器の冷却手段に、燃料電池発電システムの排熱を有効利用する。【解決手段】燃料電池発電システムの排熱を熱源に利用する吸収式冷温水機を備え、前記吸収式冷温水機で生成した冷水を、前記バイオガスを冷却して除湿する冷却器に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後のバイオガスから水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とが供給されて発電反応を行う燃料電池本体と、前記発電反応により生じた熱を取り除く電池冷却水を燃料電池本体の冷却板に循環させる冷却水循環経路とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池発電システムの排熱を熱源とする吸収式冷温水機と
前記バイオガスを冷却することにより除湿する冷却器とを備え、
前記吸収式冷温水機で生成した冷水を前記冷却器に供給して前記バイオガスを冷却することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記吸収式冷温水機が、前記電池冷却水の熱を熱源とする温水焚吸収式冷温水機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システム。
【請求項３】
前記冷却器で除湿した後のバイオガスを加熱する加熱器を備え、前記加熱器に燃料電池発電システムで発生した熱を供給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システム。
【請求項４】
前記燃料電池発電システムで発生した熱は、燃料電池本体のカソードオフガスおよび/または改質器のバーナ燃焼排ガス中の水分を凝縮して得た回収水の熱であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記燃料電池発電システムで発生した熱は、前記温水式冷温水機から排出され前記電池冷却水の熱を受け取る熱交換器へと向かう温水の熱であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水汚泥や生ごみ等のバイオマス資源を嫌気性発酵させて得られるバイオガスを原燃料として発電を行う燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、燃料電池本体、燃料改質装置、電池冷却系機器、水回収系機器、これらの機器を制御する制御装置、直交変換装置等から構成されている。燃料電池本体での発電反応のために、燃料電池本体のカソード電極に空気が、アノード電極には水素を主成分とする燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料改質装置において、都市ガスやバイオガスなどの原燃料を水素に変える改質反応を行うことにより生成している。
【０００３】
下水汚泥や生ゴミなどの有機性廃棄物を嫌気性発酵させることにより得られるメタンガスを主成分とするバイオガスは、飽和水蒸気を含有し、大気圧におけるバイオガスの水蒸気の含有率は、中温（約３７℃）発酵のバイオガスが６．２％、高温（約５５℃）発酵のバイオガスで１５．６％である。
バイオガスを原燃料とする燃料電池発電システムでは、発酵槽で発生したバイオガスを一旦ガスタンクに貯留した後、配管を介して脱硫器や燃料改質装置へ供給するが、その際、ガスタンクおよび配管における放熱によってバイオガスの温度は低下し、バイオガス中に含まれる飽和水蒸気の一部は凝縮水となる。
【０００４】
生成した凝縮水は、原燃料供給配管中でバイオガスの通流を阻害し、原燃料の供給が不安定となって、燃料電池本体の発電出力に見合った原燃料の供給が行われなくなった場合には、燃料電池発電システムの非常停止を引き起こす恐れがある。また、原燃料を供給する経路上に配置された昇圧ブロワ、脱硫塔、前処理装置および配管等において生じた凝縮水が各機器や装置の故障の原因にもなる。
【０００５】
バイオガスを原燃料とする燃料電池発電システムとして、特許文献１には、有機物の発酵により生じたメタン及び硫黄分を含むバイオガスから上記硫黄分を除去するための脱硫装置と、燃料電池とを備え、前記脱硫装置と燃料電池との間に、硫化メチルとメチルメルカプタンを除去するための高度脱硫装置を設けた構成が記載されており、高度脱硫装置の上流にバイオガスに含まれる水分を取り除く脱水装置を設けることが記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、バイオガスに含まれる水分が乾式脱硫塔内で凝縮することによる脱硫性能の低下を防ぐため、脱硫器に至るまでの配管および脱硫器をバイオガスの露点以上に加熱することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２７７７７９号公報
【特許文献２】特開２００５−１４７０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、燃料電池発電システムは、外部からの補給水を不要とする水自立を実現していると共に熱を発生するものであり、従来技術においては、バイオガスに含まれる水蒸気を凝縮させるための具体的な冷却手段は提供されていなかった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、バイオガスを原燃料とする燃料電池発電システムにおいて、バイオガス中に含まれる水分を凝縮、除去するためのバイオガスの冷却が効率的に行われる冷却手段を備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池発電システムは、バイオガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後のバイオガスから水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とが供給されて発電反応を行う燃料電池本体と、前記発電反応により生じた熱を取り除く電池冷却水を燃料電池本体の冷却板に循環させる冷却水循環経路とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池発電システムの排熱を熱源とする吸収式冷温水機と前記バイオガスを冷却することにより除湿する冷却器とを備え、前記吸収式冷温水機で生成した冷水を前記冷却器に供給して前記バイオガスを冷却するものとした。
【００１０】
燃料電池発電システムの排熱としては、りん酸形燃料電池では、燃料電池本体の発電により生じる熱を取り除くための冷却水の供給温度が１５０℃であり、これを温水または水蒸気で前記吸収式冷温水機に供給して熱源として用いることができる。また、溶融炭酸塩形，固体電解質形燃料電池発電システムの排熱により水蒸気を発生させて、その水蒸気により前記吸収式冷温水機を駆動させることもできる。
【００１１】
本発明の構成によれば、燃料電池発電システムで発生する排熱が吸収式冷温水機にて有効利用できると共に、バイオガスを冷却するための冷水を安定供給することが可能となる。
上記構成において、前記吸収式冷温水機は、前記電池冷却水の熱を熱源とする温水焚吸収式冷温水機とすることができる。
【００１２】
さらに、前記冷却器で除湿した後のバイオガスを加熱する加熱器を備え、前記加熱器に燃料電池発電システムで発生した熱を供給することとすれば、含有する水蒸気の一部を凝縮して除去した後のバイオガス中に残留する水蒸気が、後段の配管や脱硫器等において、結露することをより確実に防ぐことが可能となる。
また、前記加熱器に供給する熱として、燃料電池本体のカソードオフガスおよび/または改質器のバーナ燃焼排ガス中の水分を凝縮して得た回収水の熱を利用することができる。
【００１３】
あるいは、前記加熱器に供給する熱として、前記温水式冷温水機から排出され前記電池冷却水の熱を受け取る熱交換器へと向かう温水の熱を利用することとしても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、バイオガスを原燃料とする燃料電池発電システムにおいて、バイオガス中に含まれる水分を凝縮、除去するための冷却が効率的に行われると共に、燃料電池発電システム内でバイオガス中の水分が凝縮して装置に悪影響を及ぼすことを確実に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図1は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略系統図である。
燃料電池発電システムは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１のアノード１ｂに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系統、燃料電池本体１の発電により生じる熱を取り除くために燃料電池本体１の冷却板１ｃに冷却水を循環させる冷却水循環系統、燃料電池本体１のカソード１ａから排出されたカソードオフガスと改質器２のバーナ２ａの燃焼により生じた燃焼ガスとを排ガス冷却器７で冷却して凝縮水を回収する回収水系統とを備えており、さらに、本発明においては、燃料電池発電システムの排熱を熱源とする吸収式冷温水機６と、バイオガス中の水蒸気を凝縮除去するためのバイオガス冷却器１１を備えている。
【００１７】
一方、発酵槽１０において、下水汚泥または生ゴミを嫌気性発酵させることにより得られるメタン濃度が約６０％、二酸化炭素濃度が約４０％のバイオガスは、ガスタンク（図示せず）に一旦貯留される。
ガスタンクから燃料電池発電システムに供給されるバイオガスは、まずバイオガス冷却器１１で冷却することにより含有する水分を凝縮したのち、脱硫塔１２に供給する。一般にバイオガスは数百ｐｐｍもしくはそれ以上の硫化水素を含んでいるが、脱硫塔１２で硫化水素を除去して硫化水素濃度を３ｐｐｍ程度にする。
【００１８】
脱硫後のバイオガスは、昇圧ブロワ１３により７〜８ｋＰａに昇圧したのち、前処理装置１４に供給する。前処理装置１４においては、活性炭による吸着除去により、バイオガスに含まれるシロキサン、アンモニア、塩素を始めとした微量不純物が除去される。
このようにして、硫化水素および微量不純物を除去したバイオガスは、燃料電池発電システムの燃料ガス供給系へ原燃料として導入され、図示しない脱硫器でさらに硫化水素をｐｐｂオーダーまで除去したのち、水蒸気と共に改質器２へ供給される。
【００１９】
この水蒸気は、燃料電池本体１の発電に伴って発生する熱を除去する冷却水循環系の冷却水が燃料電池本体１の冷却板１ｃを通流したのち、水蒸気分離器３に導入して気水分離させることにより得ている。
改質器２は触媒を充填した反応管２ｂとバーナ２ａを主要部として構成されており、バーナ２ａの燃焼排ガスにより加熱される反応管２ｂ中で、バイオガスに含まれるメタンと水蒸気を触媒反応によって水素に富んだ改質ガスに変換する。バーナ２ａの燃焼用燃料には、燃料電池本体１のアノード１ｂから排出されるアノードオフガスを用いている。
【００２０】
燃料ガス供給系統は、改質器２の後段に改質ガス中に約１０％含まれる一酸化炭素を１％以下まで低減させる一酸化炭素変成器（図示せず）を備え、一酸化炭素変成後の改質ガスを燃料電池本体１のアノード１ｂに供給する。
燃料電池本体１においては、アノード１ｂに燃料ガスとして供給された改質ガスと、カソード１ａに酸化剤ガスとして供給された空気中の酸素を利用し、発電を行う。
【００２１】
アノード１ｂから、発電反応に利用されず未反応のまま排出された水素、発電反応に寄与しないメタンおよび一酸化炭素は、前述のように改質器２のバーナ２ａに供給して燃焼させ、改質反応の熱を供給している。
改質器２のバーナ２ａの燃焼排ガスおよび燃料電池本体１のカソード１ａから排出された空気（カソードオフガス）は、排ガス冷却器７に導入する。
【００２２】
排ガス冷却器７は、導入された燃焼排ガスおよびカソードオフガスと散水される水とを接触させることで冷却し、排ガス中の水蒸気を凝縮して回収している。回収した凝縮水を回収水循環ポンプ８により冷却塔９に循環させて放熱処理した後に排ガス冷却器７の散水に利用している。
排ガス冷却器７で回収した水の一部は、図示しない水処理装置によって水質を調整した後、水蒸気分離器３への給水に利用する。
【００２３】
燃料電池本体１の冷却板１ｃに循環させる冷却水系統の冷却水は水蒸気分離器３に貯留し、電池冷却水循環ポンプ４で冷却板１ｃに循環させる。燃料電池１の冷却で得た熱の一部を使って水蒸気分離器３で飽和蒸気を発生させて、前述のように改質器２における改質反応に利用する。
燃料電池本体１の冷却で得られる残りの熱は、電池冷却水冷却器５で熱交換を行い、温水式冷温水機６の駆動熱源として利用する。電池冷却水冷却器５から温水式冷温水機６に循環させる温水温度は、一例として電池冷却水冷却器５から９０℃で温水式冷温水機６へ入り、８５℃で電池冷却水冷却器５へ戻る。
【００２４】
温水式冷温水機６で製造した冷水は、バイオガス冷却器１１に供給して、バイオガスを冷却しバイオガスが含有する水蒸気を凝縮除去する。温水式冷温水機６からバイオガス冷却器１１に循環させる冷水温度は、一例として温水式冷温水機６からバイオガス冷却器１１へ７℃で入り、１２℃で温水式冷温水機６へ戻る。これにより、バイオガス冷却器１１でバイオガスを１５℃まで冷却すれば、ガス中の水蒸気含有率は１．７％まで下げることができる。
【００２５】
具体的には、本実施形態の燃料電池発電システムとして定格発電容量１００ｋＷのりん酸形燃料電池発電システムを用いた場合、バイオガス冷却器を通流後のバイオガス中の水蒸気の量は次の通りである。
１００ｋＷ発電するのに要するバイオガス量：
４５Ｎｍ3／ｈ（ＣＨ4：６０％，ＣＯ2：４０％）
高温発酵（５５℃）のバイオガスに含まれる水蒸気量：
４５／（１−０．１５６）＝５３．３  Ｎｍ3／ｈ
（５３．３−４５）／２２．４×１８＝６．７  ｋｇ／ｈ
１５℃まで冷却したバイオガスに含まれる水蒸気量：
４５／（１−０．０１７）＝４５．８  Ｎｍ3／ｈ
（４５．８−４５）／２２．４×１８＝０．６  ｋｇ／ｈ
上記の計算例のように、本発明によってバイオガスに含まれる水蒸気の量は約1/10まで減少させることができる。
【００２６】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略系統図である。第１の実施形態との相違点は、バイオガス冷却器１１で水蒸気を凝縮除去した後のバイオガスをバイオガス加熱器１５で加熱して脱硫搭１２に供給している点である。
バイオガス冷却器１１において、温水式冷温水機６から供給される７℃の冷水で冷却して水蒸気を凝縮除去しても、水蒸気を完全に除去することはできず、若干の水蒸気を含む。燃料電池発電システムの設置場所または季節によっては、脱硫搭１２、昇圧ブロワ１３、前処理装置１４および配管を通流する間に、バイオガス中に残留した水分により凝縮水が発生する可能性がある。
【００２７】
そこで、本実施形態においては、僅かに残る水蒸気が凝縮する可能性を低下させるために、バイオガス加熱器１５でバイオガスを加熱する。バイオガス加熱器１５において、バイオガスを加熱する熱源として、排ガス冷却器７で回収される温水を利用する。排ガス冷却器７で回収される温水は約５０℃であり、この温水をバイオガス加熱器１５においてバイオガスと熱交換させることにより、バイオガスを４０℃まで加熱したのち、脱硫搭１２に供給する。
【００２８】
その他の構成については第１の実施形態と同様に構成しているので、説明は省略する。
［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略系統図である。第１の実施形態との相違点は、バイオガス冷却器１１で水蒸気を凝縮除去した後のバイオガスをバイオガス加熱器１５で加熱して脱硫搭１２に供給している点であり、さらに、前記バイオガス加熱器１５において、バイオガスを加熱する熱源として、温水式冷温水機６から電池冷却水冷却器５へと戻る冷却水を用いた点で、第２の実施形態と相違している。
【００２９】
本実施形態によれば、バイオガス加熱器１５において、第２の実施形態に比べ、より高い温度にまでバイオガスを加熱することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・燃料電池本体
１ａ・・・カソード
１ｂ・・・アノード
２・・・改質器
２ａ・・・バーナ
２ｂ・・・反応管
３・・・水蒸気分離器
４・・・電池冷却水循環ポンプ
５・・・電池冷却水冷却器
６・・・温水式冷温水機
７・・・排ガス冷却器
８・・・回収水循環ポンプ
９・・・冷却塔
１０・・・発酵槽
１１・・・バイオガス冷却器
１２・・・脱硫搭
１３・・・昇圧ブロワ
１４・・・前処理装置
１５・・・バイオガス加熱器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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