(57)【要約】【課題】前処理装置の不純物吸着性能をより一層向上させるとともに、前処理装置の保守の改善を図り、不純物除去性能の劣化に充分に対処して信頼性の高い燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池発電システムは、有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置１と、この前処理装置１で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置２とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前処理装置１は、活性炭を充填する容器５，７を少なくとも二つ以上の複数基を直列に接続したものである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置と、この前処理装置で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記前処理装置は、活性炭を充填する容器を少なくとも二つ以上の複数基を直列に接続したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
複数基の直列に接続した容器のうち、一つはバイオガスに含まれた飽和炭化水素やその化合物を吸着する汎用活性炭を充填した第１容器と、他はバイオガスに含まれた酸、塩基、硫黄のうち、少なくとも一つ以上を吸着する機能性活性炭を充填した第２容器とを備えた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。
【請求項３】
第２容器に充填した機能性活性炭は、硫黄化合物吸着用活性炭、アンモニア吸着用活性炭、塩基吸着用活性炭を層状に充填したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
第１容器は、これを２基に分割して並列に配置し、さらに第１バイパス系を備える一方、第２容器は、１基のみとし、第２バイパス系を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置と、この前処理装置で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記前処理装置と前記燃料電池発電装置との間にバイオガスに含まれる不純物を検出する検出器と、この検出器から検出した信号に基づいてバイオガスの供給を遮断させる遮断弁とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
遮断弁は、バイオガスに含まれる不純物を検出した実検出信号に、予め定められた設定許容信号とを突き合せ、偏差が出たとき、その偏差に基づいて遮断指令を演算するガス濃度演算器を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置と、この前処理装置で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置とを備える燃料電池発電システムにおいて、請求項４に示す２基の第一容器よりなる前処理装置を運転させる際、一方の第一容器を運転させ、残りの第一容器を待機させておき、運転中の第一容器の活性炭の交換の際、待機中の第一容器に切り替えて運転を継続させることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項８】
有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置と、この前処理装置で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置とを備える燃料電池発電システムにおいて、汎用活性炭を充填した第１容器と、機能性活性炭を充填した第２容器とを備える前記前処理装置を運転させる際、運転中の前記第２容器に充填した機能性活性炭を交換するとき、バイパス系を使用し、前記第２容器の機能性活性炭を交換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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物から発生するバイオガスを燃料として利用する燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池発電システムでは、都市ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）等の炭化系水素を燃料としたものが大部分を占め、下水やし尿、あるいは生ゴミや食品廃水等の有機性廃棄物をバクテリアで分解させて発生させ、メタンを６０％以上含んだバイオガスに適用されるものは極く限られていた。
【０００３】
また、バイオガス燃料中に含まれる不純物には、硫化水素、アンモニア、塩素等がある。これら不純物を予め処理する前処理装置は、不純物の性状に合せて処理できるように設計されている。前処理装置の処理方法には、例えば水洗法、アルカリ吸着法、酸化吸着法、またはこれらを組み合せたものが使用されている。そして、これらの手法を適用した前処理装置は、不純物の濃度を数十ｐｐｍまで除去した後、最終的に活性炭吸着法を用いて不純物の濃度を数ｐｐｍ以下に低下させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
バイオガス燃料に含まれる不純物は、上述の手法を用いて前処理を行っているが、実際には適用形態や適用場所、その他の要因がケース毎にそれぞれ異なるため、充分に性状等を確認できないまま前処理を行っていた。このため、不純物を充分に前処理しないまま燃料電池発電装置の改質器等に供給され、改質器等に充填されている触媒を被毒させることがあった。
【０００５】
ところで、バイオガス中には、硫化水素、アンモニア、塩素等の不純物以外に、有機性廃棄物に含まれる高分子化合物から発生する炭素数９〜１３の飽和炭化水素、トルエンやシリコンから発生する珪素数１〜５のシロキサン等の炭化水素化合物が数十ｐｐｍ程度含まれている場合がある。
【０００６】
これらの炭化水素系化合物は、水洗法、アルカリ吸着法、酸化吸着法では吸着せず、活性炭に吸着される性質を持っている。
【０００７】
したがって、従来の前処理装置では、炭化水素系化合物の活性炭への吸着を考慮していないため、活性炭の量や種類の選定が不適切となり、その結果として活性炭の寿命が短くなったり、硫化水素、アンモニア、塩素等の不純物が充分に除去できない等の問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、前処理装置の不純物吸着性能をより一層向上させるとともに、前処理装置の保守の改善を図り、不純物除去性能の劣化に充分に対処して信頼性の高い燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置と、この前処理装置で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記前処理装置は、活性炭を充填する容器を少なくとも二つ以上の複数基を直列に接続したものである。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、複数基の容器のうち、一つはバイオガスに含まれた飽和炭化水素やその化合物を吸着する汎用活性炭を充填した第１容器と、他はバイオガスに含まれた酸、塩基、硫黄のうち、少なくとも一つ以上を吸着する機能性活性炭を充填した第２容器とを備えたものである。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、第２容器に充填した機能性活性炭は、硫黄化合物吸着用活性炭、アンモニア吸着用活性炭、塩基吸着用活性炭を層状に充填したものである。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、第１容器は、これを２基に分割して並列に配置しさらに第１バイパス系を備える一方、第２容器は、１基のみとし、第２バイパス系を備えたものである。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置と、この前処理装置で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記前処理装置と前記燃料電池発電装置との間にバイオガスに含まれる不純物を検出する検出器と、この検出器から検出した信号に基づいてバイオガスの供給を遮断させる遮断弁とを備えたものである。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、遮断弁は、バイオガスに含まれる不純物を検出した実検出信号に、予め定められた設定許容信号とを突き合せ、偏差が出たとき、その偏差に基づいて遮断指令を演算するガス濃度演算器を備えたものである。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置と、この前処理装置で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置とを備える燃料電池発電システムにおいて、請求項４に示す２基の第一容器よりなる前処理装置を運転させる際、一方の第一容器を運転させ、残りの第一容器を待機させておき、運転中の第一容器の活性炭の交換の際、待機中の第一容器に切り替えて運転を継続させる方法である。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、有機性廃棄物から発生したバイオガスに含まれる不純物を処理する前処理装置と、この前処理装置で処理した燃料を改質させて電気化学的に発電する燃料電池発電装置とを備える燃料電池発電システムにおいて、汎用活性炭を充填した第１容器と、機能性活性炭を充填した第２容器とを備える前記前処理装置を運転させる際、運転中の前記第２容器に充填した機能性活性炭を交換するとき、バイパス系を使用し、前記第２容器の機能性活性炭を交換する方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池発電システムおよびその運転方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの第１実施形態を示す概略系統図である。
【００１９】
本実施形態に係る燃料電池発電システムは、大別して前処理装置１と燃料電池発電装置２とを備えた構成になっている。
【００２０】
前処理装置１は、バイオガス入口３の下流側に汎用活性炭９を充填する第１容器５と、機能性活性炭１０を充填する第２容器７を備えている。
【００２１】
また、前処理装置１は、バイオガス出口８を燃料電池発電装置２に接続させている。なお、燃料電池発電装置２は、脱硫器、改質器、変成器、燃料電池本体等を備えているが、本実施形態の直接的な対象になっていないので、ここではその説明を省略する。
【００２２】
第１容器５には、炭素数９〜１３の飽和炭化水素、トルエンや珪素数１〜５のシロキサン等の炭化水素系化合物を吸着する汎用活性炭９が充填されている。
【００２３】
また第２容器７には、活性炭に化学処理し、酸性ガス、塩基性ガス、中性ガスへの吸着能力を増加させた機能性活性炭１０が充填されている。
【００２４】
この機能性活性炭１０は、硫化水素および硫黄化合物を吸着させるイオウ化合物吸着用活性炭１１と、アンモニアや塩基性ガスを吸着させるアンモニア吸着用活性炭１２と、塩素や塩酸を吸着させる塩素吸着用活性炭１３の３種類を層状に充填して使用している。
【００２５】
なお、汎用活性炭９および機能性活性炭１０は、バイオガス中の炭化水素化合物、硫化水素、アンモニア、塩素の濃度と活性炭の吸着容量との関係から寿命および交換頻度が経済的に好ましくなるよう、その充填量が決定される。
【００２６】
このような構成を備えた燃料電池発電システム、特に前処理装置１において、下水やし尿あるいは生ゴミや食品廃水の有機性廃棄物からメタン発酵処理により生成されたバイオガスは、水洗法、アルカリ吸着法、酸化吸着法のうち、いずれかの方法で硫黄化合物、酸、塩基等の不純物の濃度をそれぞれ数十ｐｐｍまで吸着した後、バイオガス入口３に供給される。
【００２７】
バイオガスが第１容器５に充填された汎用活性炭９を通る間に、バイオガスに含まれる炭素数９〜１３の飽和炭化水素や珪素数１〜５のシロキサン等の炭化水素系化合物が吸着される。なお、硫黄化合物、酸、塩基性の不純物もある程度吸着される。
【００２８】
次に、バイオガスが第２容器７に充填された機能性活性炭１０を通る間に、バイオガスに含まれる硫化水素および硫黄化合物が硫黄化合物吸着用活性炭１１で吸着される。また、アンモニアや塩基性ガスは、アンモニア吸着用活性炭１２で吸着される。さらに、塩素や塩酸は、塩素吸着用活性炭１３で吸着される。
【００２９】
そして、第２容器７の出口では、硫黄化合物が０．１ｐｐｍ以下、アンモニアおよび塩素の各濃度が０．０５ｐｐｍ以下に低減されて燃料電池発電装置２に供給される。
【００３０】
このように、本実施形態は、バイオガスに含まれている不純物のうち、水洗法、アルカリ吸着法、酸化吸着法等を用いても従来の前処理装置で吸着できなかった炭化水素系化合物を第１容器５の汎用活性炭９で吸着させ、さらに第２容器７の機能性活性炭１０で硫黄化合物、酸、塩基等の不純物を吸着させてその濃度を低減させ、改質器等に用いている触媒の被毒を防止して燃料電池発電システムに長期間に亘って安定運転を行わせることができる。
【００３１】
図２は、本発明に係る燃料電池発電システムの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一構成部品には同一符号を付す。
【００３２】
本発明に係る燃料電池発電システムは、運転中に第１容器５の汎用活性炭９が、予め決められた交換時期になった場合や例えば性能劣化等、何らかの事情で交換を余儀なくする場合、第１容器５の交換ができるように、第１容器５と並列に第１副容器１６を設置するとともに、第１容器５の入口側および出口側のそれぞれに第１容器用入口止め弁１４および第１容器用出口止め弁１５を設ける一方、第１副容器１６の入口側および出口側のそれぞれにも第１副容器用入口止め弁１７および第１副容器用出口止め弁１８を設け、さらに、第１容器５と第１副容器１６との間に第１バイパス管１９を設け、第１バイパス管１９に第１バイパス容器用入口止め弁２０、第１バイパス容器用出口止め弁２１、第１バイパス副容器用入口止め弁２２、第１バイパス副容器用出口止め弁２３を設けたものである。
【００３３】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述と同様に、運転中に第２容器７の機能性活性炭１０が、予め決められた交換時期になった場合や例えば、性能劣化等何らかの事情で交換を余儀なくする場合、第２容器７の機能性活性炭１０の交換ができるように、第２容器７の入口側および出口側のそれぞれに第２容器用入口止め弁２４および第２容器用出口止め弁２５を設けるとともに、第２容器７に第２バイパス弁２６を介装した第２バイパス管２７を設けたものである。
【００３４】
次に、燃料電池発電システムの運転方法を説明する。
【００３５】
上述の構成を備えた燃料電池発電システムにおいて、通常運転時、第１容器５は運転中、第１副容器１６は待機中になっている。このとき、第１容器用入口止め弁１４および第１容器用出口止め弁１５は「開」、第１副容器用入口止め弁１７および第１副容器用出口止め弁１８は「閉」、第１バイパス管１９の第１バイパス容器用入口止め弁２０、第１バイパス容器用出口止め弁２１、第１バイパス副容器用入口止め弁２２、第１バイパス副容器用出口止め弁２３は、「閉」になっている。
【００３６】
この状態から、第１容器５の汎用活性炭４の交換時期がきたとき、第１副容器用入口止め弁１７および第１副容器用出口弁１８を「開」、第１容器用入口止め弁１４、第１容器用出口止め弁１５を「閉」とし、（注：順序を逆にした）第１容器５から第１副容器１６に運転を切り替えると、第１容器５の汎用活性炭９は容易に交換することができる。
【００３７】
また、第２容器７においても、運転中、機能性活性炭１０の交換時期がきたとき、第２バイパス管２７の第２バイパス弁２６を「開」、第２容器用入口止め弁２４および第２容器用出口止め弁２５を「閉」とし、（注：順序を逆にした）第２バイパス管２７を使用することにより、第２容器７の機能性活性炭１０は交換することができる。
【００３８】
この場合、第１容器５の汎用活性炭９も硫黄化合物、酸、塩基性の不純物の吸着能力を有しているため第２容器７の機能性活性炭１０の交換作業による短期間のバイパス運転においても燃料電池発電装置２の改質器等の触媒を被毒させることはない。
【００３９】
なお、第１容器５と第１副容器１６とを使用し、汎用活性炭９の能力を充分に活用する場合、第１バイパス管１９を使用し、第１容器５と第１副容器１６とを連通させて運転させてもよい。この場合、第１容器用入口止め弁１４を「開」、第１容器用出口止め弁１５を「閉」、第１副容器用入口止め弁１７を「閉」、第１副容器用出口止め弁１８を「開」、第１バイパス容器用出口止め弁２０を「閉」、第１バイパス容器用出口止め弁２１を「開」、第１バイパス副容器用入口止め弁２２を「開」、第１バイパス副容器用出口止め弁２３を「閉」とする。
【００４０】
このように、本実施形態は、第１容器５と並列に第１副容器１６を設け、第１容器５と第１副容器１６との間に第１バイパス管１９を設けるとともに、第２容器７にも第２バイパス管２７を設けたので、吸着能力の低下した汎用活性炭９および機能性活性炭１０を容易に交換させて吸着能力を高く維持することができる。
【００４１】
図３は、本発明に係る燃料電池発電システムの第３実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一構成部品には同一符号を付す。
【００４２】
本実施形態に係る燃料電池発電システムは、前処理装置１の第２容器７とバイオガス出口８との間に検出器２８とガス濃度演算器２９を備えた遮断弁３０とを設けたものである。
【００４３】
ここで、検出器２８は、燃料電池発電装置２の改質器等の触媒を被毒させる不純物、例えば、硫化水素、アンモニア、塩素、酸素等のうち、少なくとも一つ以上の濃度を検出できるようになっている。
【００４４】
また、ガス濃度演算器２９は、検出器２８から検出された実ガス濃度と比較する予め設定した許容濃度信号を入力しておき、許容値を超えて偏差が出たとき、偏差を演算して警報を出すとともに、遮断弁３０を閉じる指令を出すようになっている。
【００４５】
このような構成を備えた燃料電池発電システムにおいて、バイオガスは、第２容器７の機能性活性炭１０でバイオガス中の不純物が十分吸着されない状態で検出器２８に流れると、ここで燃料電池発電装置２の改質器等の触媒を被毒させる、例えば硫化水素、アンモニア、塩素、酸素のうち、いずれかのガス濃度が検出される。
【００４６】
検出されたガス濃度は、ガス濃度演算器２９に与えられ、予め定められた許容値と比較される。ガス濃度演算器２９は、偏差が出ると、その偏差を基に警報信号と遮断指令とを演算し、警報を出すとともに、遮断弁３０を閉鎖させる。
【００４７】
このように、本実施形態は、第２容器７の出口側に検出器２８とガス濃度演算器２９を備えた遮断弁３０とを設け、検出器２８で検出されたバイオガス濃度がガス濃度演算器２９の許容設定値を超えたとき、警報信号を出し、遮断弁３０を遮断させる指令を出すので、燃料電池発電装置２に安全かつ安定運転を行わせることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係る燃料電池発電システムおよびその運転方法によれば、バイオガス中の被毒ガスとなる不純物を吸着する前処理装置において、汎用活性炭と機能性活性炭とを組み合せることにより、優れた不純物吸着性能を発揮するとともに、活性炭の寿命を改善して運転コストを低減することができる。
【００４９】
また、運転中、活性炭を交換できる手段を備えて断続的に運転を続行させるので、稼働率を向上させることができる。
【００５０】
さらに、バイオガス中の不純物のガス濃度検出手段と不純物の濃度が高いとき、ガスの流れを遮断する手段とを組み合せたので、安全かつ安定運転を維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムの第２実施形態を示す概略系統図。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムの第３実施形態を示す概略系統図。
【符号の説明】
１　前処理装置
２　燃料電池発電装置
３　バイオガス
５　第１容器
７　第２容器
８　バイオガス出口
９　汎用活性炭
１０　機能性活性炭
１１　硫黄化合物吸着用活性炭
１２　アンモニア吸着用活性炭
１３　塩素吸着用活性炭
１４　第１容器用入口止め弁
１５　第１容器用出口止め弁
１６　第１副容器
１７　第１副容器用入口止め弁
１８　第１副容器用出口止め弁
１９　第１バイパス管
２０　第１バイパス容器用入口止め弁
２１　第１バイパス容器用出口止め弁
２２　第１バイパス副容器用入口止め弁
２３　第１バイパス副容器用出口止め弁
２４　第２容器用入口止め弁
２５　第２容器用出口止め弁
２６　第２バイパス弁
２７　第２バイパス管
２８　検出器
２９　ガス濃度演算器
３０　遮断弁
【図１】
2004095370.tif 000003
【図２】
2004095370.tif 000004
【図３】
2004095370.tif 000005