(57)【要約】【課題】消化ガスを主原燃料ガスとする燃料電池発電装置において、都市ガス等の補助ガスの消費量を最小限にして経済的な運転が可能な運転方法を提供する。【解決手段】消化ガスの改質器への供給装置は、消化ガスの発生量の変動に伴う圧力を緩和するバッファタンクを有し、常時は、消化ガスを所定の供給圧力の下で、燃料電池の電気出力に応じて、消化ガス供給流量調節弁の開度制御を行って供給し、消化ガス供給圧力が減少した際の異常時には、消化ガス供給流量調節弁の開度が増大して所定の設定上限開度になった際に、都市ガスを漸増供給し、消化ガスと都市ガスとの合計流量が、燃料電池の所要電気出力に見合う量となるように供給して燃料電池の運転を継続し、都市ガス供給量の増大もしくは消化ガス供給圧力の回復により、消化ガス供給流量調節弁の開度が減少し、所定の設定下限開度になった際には、都市ガス供給量を漸減して燃料電池の運転を継続する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主原燃料ガスとしての消化ガスと、補助的原燃料ガスとしての都市ガスやＬＰＧなどの第二の原燃料ガスとを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質ガスと酸化剤ガス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装置の運転方法において、
前記消化ガスの改質器への供給装置は、消化ガスの発生量の変動に伴う圧力を緩和するバッファタンクを有し、常時は、前記消化ガスを所定の供給圧力の下で、前記燃料電池の電気出力に応じて、消化ガス供給流量調節弁の開度制御を行って供給し、
前記消化ガスの供給圧力が減少した際の異常時には、前記消化ガス供給流量調節弁の開度が増大して所定の設定上限開度になった際に、前記第二の原燃料ガスを漸増供給し、消化ガスと第二の原燃料ガスとの合計流量が、燃料電池の所要電気出力に見合う量となるように供給して燃料電池の運転を継続し、前記第二の原燃料ガスの供給量の増大もしくは消化ガスの供給圧力の回復により、前記消化ガス供給流量調節弁の開度が減少し、所定の設定下限開度になった際には、前記第二の原燃料ガスの供給量を漸減して燃料電池の運転を継続することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の運転方法において、前記所定の設定上限開度は９２％開度とし、所定の設定下限開度は６０％開度とすることを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の運転方法において、前記所定の設定上限開度と下限開度との間に、所定の第三の設定中間開度を設け、前記消化ガス供給流量調節弁の開度の減少に伴い、前記第三の設定中間開度に到達した際には、前記第二の原燃料ガスの供給流量の漸増を停めて一定値に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。
【請求項４】
請求項３に記載の運転方法において、前記所定の設定上限開度と下限開度との間に、さらに所定の第四の設定中間開度を設け、前記消化ガス供給流量調節弁の開度の減少により前記下限開度開度に到達後、さらに、消化ガスの供給圧力が減少して開度が増大し前記第四の設定中間開度に到達した際には、前記第二の原燃料ガスの供給流量の漸減を停めて一定値に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。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の運転方法において、前記改質器は、原燃料ガスを水蒸気（スチーム）と混合して改質するものとし、前記第二の原燃料ガスを補充供給して消化ガスと共に燃料電池に供給する際の前記スチーム流量は、各原燃料ガス毎に予め設定したＳ／Ｃ（原燃料ガス中の炭素原子に対するスチームのモル数比）と、各原燃料ガスの供給流量割合とに基づき演算して求めた流量とすることを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電装置の運転方法に関し、特に、主原燃料ガスとして消化ガスを用い、補助的原燃料ガスとして都市ガスやＬＰＧなどの第二の原燃料ガスを用いる場合の原燃料ガスの供給制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応によって電気を取り出す装置である。そして、燃料電池の電気化学的反応に必要な燃料ガスと酸化剤ガスの量は、燃料電池から取り出す電流に比例する。
【０００３】
前記電気化学的反応に水素ガスを使用するリン酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池においては、例えば、原燃料として使用される都市ガスやメタン発酵ガス（消化ガス）などの炭化水素ガスと水蒸気とを反応させて、水素リッチガスに改質して燃料電池に供給する。燃料電池発電装置は、炭化水素ガスから水素リッチガスに改質する改質器を備え、この改質器は改質反応を継続するために高温にコントロールされてる。
【０００４】
なお、改質器における炭化水素ガスと水蒸気の反応は、吸熱反応であるため、燃料電池には、電気化学的反応で消費する水素量より多めの改質ガスを供給し、燃料電池からのオフガスを改質器に還流して燃焼させ、改質器における熱源とするのが一般的である。
【０００５】
前述のような燃料電池発電装置においては、原燃料を改質して得られる水素の量は炭化水素の組成によって異なるために、使用する原燃料の種類によって、原燃料流量の設定値を決める必要がある。特に前記メタン発酵ガス（消化ガスまたはバイオガス）を原燃料とする場合等においては、原燃料の組成が変動するため、供給される消化ガス中のメタンガス成分の濃度を検出し、このメタンガス検出濃度に応じて、原燃料としてのバイオガス供給流量を調整する必要がある。この種の、原燃料にバイオガスを用いる燃料電池発電装置の構成は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００６】
図４は、前記特許文献１の公報における図１として（図４においては、部番を一部変更）記載された燃料電池発電設備のシステム構成図である。図４の構成について、同公報の記載を概ね引用して、以下に述べる。
【０００７】
即ち、図４に示す燃料電池発電設備は、下水汚泥からメタン発酵処理により得られる消化ガスを導く原燃料供給配管１ａと、この原燃料供給配管１ａを通して供給される消化ガス中に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器６４と、この脱硫器６４により硫黄成分が除去された消化ガスを例えば水蒸気で触媒反応させることにより一酸化炭素と水素ガスに改質する改質器２２と、この改質器２２から出力される一酸化炭素および水素ガスのうち、被毒ガス成分となる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するために、当該一酸化炭素を例えば水蒸気などで触媒反応させて二酸化炭素と水素ガスに変成する変成器６６と、燃料電池本体２１とが設けられている。
【０００８】
前記原燃料供給配管１ａには消化ガス中のガス濃度を検出する検出器６ａが設置されている。また、原燃料供給配管１ａの所要とする位置に燃料ガス入口遮断弁７ａおよび燃料ガス流量調整弁３２が設けられ、さらに前記改質器２２の入力側に触媒を反応させるために例えば水蒸気を供給する水蒸気供給ライン９ａが設けられ、この水蒸気供給ライン９ａには水蒸気の流量を調整供給するための改質用蒸気流量調整弁１０ａが設置されている。
【０００９】
さらに、検出器６ａの出力側には消化ガスに含まれる所要のガス濃度を評価演算するガス濃度評価演算部１１ａが設けられている。このガス濃度評価演算部１１ａは、検出器６ａの出力である各種のガス濃度データを収集するガス濃度収集手段１２ａと、ガス濃度収集手段１２ａにより収集された消化ガス中のメタン系炭化水素の成分濃度から総発電量を算出し、この総発電量から必要となる燃料ガス流量を決定し、燃料ガス流量調整弁３２を調整する燃料流量演算手段１３ａと、この燃料流量演算手段１３ａによって決定される燃料ガス流量から改質用蒸気流量を決定し、改質用蒸気流量調整弁１０ａを調整する改質用蒸気流量演算手段１４ａと、被毒成分である一酸化炭素、硫黄、窒素、塩類、酸素等のうち少なくとも１つ以上の被毒成分濃度が許容範囲を越えたとき、燃料電池発電設備を構成する機器のうち必要な機器を停止させる設備停止手段１５ａとによって構成されている。
【００１０】
また、図４において、６０は水蒸気分離器であって、水から蒸気を分離し水蒸気供給ライン９に供給する。この蒸気を得る手段は、水蒸気分離器６０である必要はなく、従来周知の種々の方法によって得ることができる。１７ａは燃料電池本体５を構成する空気極から出力される排気を水に熱交換する熱交換機、１８ａはタンク、１９ａはポンプである。
【００１１】
以上は概ね、特許文献１に記載された図４の説明であるが、燃料電池の水回収装置や純水装置など一部の系統は省略されており、また、燃料電池の冷却系統や排熱回収系統等、システムの細部構成については、種々の変形例がある。なお、前記改質用蒸気供給流量は、通常、原燃料供給量と所定のＳ／Ｃ（原燃料中の炭素原子に対する水蒸気のモル数比）とに基づき決定され消化ガスの場合、メタンガスが主であるので、２．５〜４．０である。なお、ＬＰＧの場合には、３．０〜４．５である。
【００１２】
ところで、上記特許文献１に記載されたシステムは、原燃料ガスとして、消化ガスのみを用いるシステム例であるが、補助的原燃料ガスとして都市ガスやＬＰＧなどの第二の原燃料ガスを用いるシステム例も提案されている。この種の、燃料電池発電装置の構成は、例えば、特許文献２に開示されており、図５は、特許文献２に記載された燃料電池発電装置のシステム例を示す。
【００１３】
図５の装置は、消化ガスを余すことなく燃料電池の燃料ガスとして有効に利用することが可能な燃料電池発電設備を提供することを目的としたもので、燃料電池発電設備１には、都市ガス配管５と消化ガス配管４とを合流させ、都市ガスと消化ガスとの混合ガスを原燃料として改質器９に供給する原燃料配管３が備えられている。これにより、消化ガスにおける発生量の変動や未達分を都市ガスで補い、都市ガスと消化ガスとの混合ガスにより燃料電池発電設備１の燃料ガス要求量を十分に満たすことができるようにしている。
【００１４】
また、特許文献２の記載によれば、図５の装置においては、消化ガス発生装置２は消化ガス流量調節弁６に対して流量設定信号を出力するように構成されている。以上の構成により、通常時は消化ガス発生装置２から出力される流量設定信号に応じて、消化ガス流量調節弁６は消化ガス発生装置２から送られる消化ガスのすべてを燃料電池発電設備１に供給するようにガス流量を制御する。一方、都市ガス流量調節弁７は、燃料電池発電設備１の必要とする燃料ガス消費量と消化ガス流量調節弁６を経由して供給される消化ガス量の差分を補うようにガス流量を制御する。
【００１５】
上記のようにして、消化ガスにおける発生量の変動や未達分を都市ガスで補うことができ、原燃料配管３を通じて都市ガスと消化ガスとの混合ガスを原燃料として十分に改質器９に供給することができる。その結果、燃料電池発電設備１の燃料ガス消費量を満足させることができ、消化ガスの発生量における時間的・季節的な変動に左右されることなく、燃料電池発電設備１の出力（電気及び熱）要求を確実に満たすことができる。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１１−１２６６２９号公報（第３−５頁、図１）
【特許文献２】
特開平１１−４５７２６号公報（第４−５頁、図１）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特許文献２に記載された図５に示す装置の場合、消化ガス発生量は、燃料電池で消費される燃料ガス量より少ないことを前提としている。即ち、消化ガス発生量＜燃料電池定格出力（＝消化ガス処理能力）であって、消化ガスの不足分を都市ガスで補充している。また、消化ガス流量指令は、消化ガス発生設備から消費したいガス量に基づき燃料電池に入力するようにしている。
【００１８】
燃料ガスとして、消化ガスを主体として燃料電池を運転する場合、常時は、できる限り都市ガスなどの補助ガスを消費せずに、消化ガスのみで発電可能なようにすることが、経済性の観点から望ましい。即ち、消化ガスの定格発生量と燃料電池の定格出力とが見合うように適合させて、補助ガスの消費量を最小限にすることが望ましい。前記特許文献２に記載された装置は、前記要請に応えるものではない。
【００１９】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、主原燃料ガスとして消化ガスを使用する燃料電池発電装置において、都市ガス等の補助ガスの消費量を最小限にして経済的な運転が可能な運転方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、主原燃料ガスとしての消化ガスと、補助的原燃料ガスとしての都市ガスやＬＰＧなどの第二の原燃料ガスとを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質ガスと酸化剤ガス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装置の運転方法において、前記消化ガスの改質器への供給装置は、消化ガスの発生量の変動に伴う圧力を緩和するバッファタンクを有し、常時は、前記消化ガスを所定の供給圧力の下で、前記燃料電池の電気出力に応じて、消化ガス供給流量調節弁の開度制御を行って供給し、前記消化ガスの供給圧力が減少した際の異常時には、前記消化ガス供給流量調節弁の開度が増大して所定の設定上限開度になった際に、前記第二の原燃料ガスを漸増供給し、消化ガスと第二の原燃料ガスとの合計流量が、燃料電池の所要電気出力に見合う量となるように供給して燃料電池の運転を継続し、前記第二の原燃料ガスの供給量の増大もしくは消化ガスの供給圧力の回復により、前記消化ガス供給流量調節弁の開度が減少し、所定の設定下限開度になった際には、前記第二の原燃料ガスの供給量を漸減して燃料電池の運転を継続することとする（請求項１の発明）。
【００２１】
前記請求項１の発明による運転方法によれば、常時の消化ガス発生量の変動は、概ね、バッファタンクで緩和されて消化ガスのみで運転が可能となり、異常時のみ、都市ガス等の第二の原燃料ガスを供給し、かつ消化ガス供給流量調節弁の開度に基づいて、効率のよいガス供給制御が可能となる。従って、都市ガス等の補助ガスの消費量を最小限にして燃料電池発電装置の経済的な運転が可能となる。詳細は後述する。
【００２２】
また、前記発明の実施態様としては、下記請求項２ないし５の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の運転方法において、前記所定の設定上限開度は９２％開度とし、所定の設定下限開度は６０％開度とする（請求項２の発明）。
【００２３】
さらに、前記請求項１または２に記載の運転方法において、前記所定の設定上限開度と下限開度との間に、所定の第三の設定中間開度を設け、前記消化ガス供給流量調節弁の開度の減少に伴い、前記第三の設定中間開度に到達した際には、前記第二の原燃料ガスの供給流量の漸増を停めて一定値に維持する（請求項３の発明）。
【００２４】
さらにまた、前記請求項３に記載の運転方法において、前記所定の設定上限開度と下限開度との間に、さらに所定の第四の設定中間開度を設け、前記消化ガス供給流量調節弁の開度の減少により前記下限開度開度に到達後、さらに、消化ガスの供給圧力が減少して開度が増大し前記第四の設定中間開度に到達した際には、前記第二の原燃料ガスの供給流量の漸減を停めて一定値に維持する（請求項４の発明）。
【００２５】
前記請求項３および４の発明は、いずれも、第二の原燃料ガスの供給流量の増減の繰り返しをできる限り少なくして、制御の円滑化を図ることを目的としているが、詳細は後述する。
【００２６】
また、改質用スチームの流量制御に関する実施態様としては、下記請求項５の発明が好ましい。即ち、前記請求項１ないし４のいずれかに記載の運転方法において、前記改質器は、原燃料ガスを水蒸気（スチーム）と混合して改質するものとし、前記第二の原燃料ガスを補充供給して消化ガスと共に燃料電池に供給する際の前記スチーム流量は、各原燃料ガス毎に予め設定したＳ／Ｃ（原燃料ガス中の炭素原子に対するスチームのモル数比）と、各原燃料ガスの供給流量割合とに基づき演算して求めた流量とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００２８】
図３は、本発明の実施例の燃料電池発電装置の運転方法に関わるシステム系統図を示す。図３において、図４および図５に示した部材と同一機能を有する部材には、同一番号を付して詳細説明を省略する。なお、図３において、６５は、原燃料ガスとスチームを混合して改質器２２に供給するためのエゼクタを示し、６８は、燃料電池排空気および改質器における燃焼排ガス中の水分を回収する水回収装置を示す。また、４ａは、消化ガス（バイオガス）の導入ライン、５ａは第二の原燃料ガスとしての都市ガスの導入ラインであり、各ガスは、流量計および流量調節弁を介して導入される。さらに、図示しない消化ガスの供給装置（図５の消化ガス発生装置２に相当）は、前述のように、消化ガスの発生量の変動に伴う圧力を緩和するバッファタンクを備える。
【００２９】
図３において、脱硫器６４は、ＣＯ変成器６６の出口ガスをリサイクルすることによって、水添脱硫触媒によって、原燃料ガス中の硫黄化合物が除去する。改質器２２には、水蒸気改質用の触媒（貴金属系またはニッケル系触媒等）が充填され、高温の燃焼ガスを発生して改質器に充填される触媒を外部より加熱するバーナが設けられている。燃料ガスと、水蒸気分離器６０にて発生した水蒸気の混合ガスを水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成し、これをＣＯ変成器６６へ送る。
【００３０】
ＣＯ変成器６６には、ＣＯ変成用触媒（銅−亜鉛系触媒等）が充填されており、改質器２２から送出される高温の改質ガスにより１８０℃〜３００℃程度の運転温度に保たれ、改質ガスを通流して、水蒸気により改質ガス中のＣＯを酸化し（シフト反応）、ＣＯの濃度を約１％程度まで低減させる。この変成ガスを燃料電池本体２１に導入する。
【００３１】
上記図３に示すような装置を運転する場合の本件発明の運転方法について、図１および図２に基づき、以下に説明する。図１は、請求項１ないし３の発明に係る基本的な運転動作説明図であり、図２は、請求項４の発明に係る運転動作説明図である。
【００３２】
図１において、（ａ）図は、消化ガス流量調節弁開度の時間経過の一例を示す模式的説明図、（ｂ）図は、消化ガスのみの運転及び消化ガスと都市ガス併用運転を行なう場合の各燃料ガスが分担する燃料電池電流の時間経過の一例を示す模式的説明図、（ｃ）図は、都市ガス供給流量の時間経過の一例を示す模式的説明図である。
【００３３】
図１（ａ）に示すように、常時は、消化ガスを所定の供給圧力の下で、燃料電池の電気出力に応じて、消化ガス供給流量調節弁の開度制御を行って供給しているが、何らかの異常要因で、消化ガスの供給圧力が減少した場合、消化ガス供給流量調節弁の開度が増大する。この増大が進行して所定の設定上限開度▲１▼（例えば、９２％開度）に到達すると、図１（ｃ）に示すように、都市ガスの供給を開始し、その供給流量を漸増する。
【００３４】
この場合、図１（ｂ）に示すように、消化ガスと都市ガスの合計流量が、燃料電池の所要電気出力に見合う量となるように供給して、燃料電池の運転を継続する。なお、都市ガスを漸増する際の勾配、即ちガス供給増加速度は、調節弁の応答速度を考慮すると、所定の増加速度、例えば都市ガスの燃料電池電流換算値と前記燃料電池の定格電流との割合（％）に基づいて、０．２％／秒とするのが望ましい。
【００３５】
前記都市ガスの供給量の増大もしくは消化ガスの供給圧力の回復により、前記消化ガス供給流量調節弁の開度が平坦になった後、減少する。開度の減少が進行して、第三の設定中間開度▲２▼（例えば、８２％開度）に到達した際には、図１（ｃ）に示すように、都市ガスの供給流量の漸増を停めて一定値に維持する。さらに、消化ガス供給流量調節弁の開度が減少し、所定の設定下限開度▲３▼（例えば、６０％開度）に到達した際には、都市ガスの供給量を漸減して燃料電池の運転を継続する。最終的には、都市ガスの供給量をゼロとし、その後は、再度消化ガスのみで、運転を継続する。
【００３６】
次に、図２について説明する。図２の運転動作において、前述の図１の経過における所定の設定下限開度▲３▼までの経過は、図１の運転動作と同様である。図２においては、さらに所定の第四の設定中間開度▲４▼（例えば、８１％開度）を設け、消化ガス供給流量調節弁の開度の減少により下限開度開度▲３▼に到達後に、何らかの異常要因により、消化ガスの供給圧力が再び減少して開度が増大し、前記第四の設定中間開度▲４▼に到達した場合には、都市ガスの供給流量の漸減を停めて一定値に維持する。その後、なお開度が増大して、所定の設定上限開度▲１▼に到達した場合には、図１の場合と同様に、都市ガスの供給流量を漸増する。
【００３７】
上記のように、第三の設定中間開度▲２▼または第四の設定中間開度▲４▼を設けて、都市ガスの供給流量の漸増または漸減を停めて一定値に維持することにより、都市ガスの供給流量の増減の繰り返しをできる限り少なくして、制御の円滑化を図ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、主原燃料ガスとしての消化ガスと、補助的原燃料ガスとしての都市ガスやＬＰＧなどの第二の原燃料ガスとを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質ガスと酸化剤ガス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装置の運転方法において、前記消化ガスの改質器への供給装置は、消化ガスの発生量の変動に伴う圧力を緩和するバッファタンクを有し、常時は、前記消化ガスを所定の供給圧力の下で、前記燃料電池の電気出力に応じて、消化ガス供給流量調節弁の開度制御を行って供給し、前記消化ガスの供給圧力が減少した際の異常時には、前記消化ガス供給流量調節弁の開度が増大して所定の設定上限開度になった際に、前記第二の原燃料ガスを漸増供給し、消化ガスと第二の原燃料ガスとの合計流量が、燃料電池の所要電気出力に見合う量となるように供給して燃料電池の運転を継続し、前記第二の原燃料ガスの供給量の増大もしくは消化ガスの供給圧力の回復により、前記消化ガス供給流量調節弁の開度が減少し、所定の設定下限開度になった際には、前記第二の原燃料ガスの供給量を漸減して燃料電池の運転を継続することとしたので、
主原燃料ガスとして消化ガスを使用する燃料電池発電装置において、第二の原燃料ガスとしての都市ガス等の補助ガスの消費量を最小限にして、経済的な運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる基本的な運転動作説明図
【図２】この発明の実施例に関わり第四の設定中間開度を設けた場合の運転動作説明図
【図３】この発明の燃料電池発電装置の運転方法の実施例に関わるシステム系統図
【図４】従来の燃料電池発電装置の一例のシステム系統図
【図５】従来の燃料電池発電装置の図４とは異なるシステム系統図
【符号の説明】
４ａ：消化ガス（バイオガス）の導入ライン、５ａ：都市ガスの導入ライン、２１：燃料電池本体、２２：改質器、６０：水蒸気分離器、６４：脱硫器、６６：ＣＯ変成器。
【図１】
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【図２】
2004185961.tif 000004
【図３】
2004185961.tif 000005
【図４】
2004185961.tif 000006
【図５】
2004185961.tif 000007