(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオガスを通流して含まれる不純物を除去するバイオガス前処理装置と、該前処理装置で処理された燃料を改質する改質装置と、該改質装置で得られた燃料を導入して電気化学的に発電する燃料電池スタックとを備えた燃料電池発電装置において、前記改質装置の温度の変化、あるいは前記改質装置を流れるガスの温度の変化を検知する温度検知手段を備え、該温度検知手段による温度上昇検知信号に基づいて前記前処理装置の不純物除去性能劣化を検知することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記の前処理装置の不純物除去性能劣化の検知に基づいて発電の出力低減又は停止を自動的に行う運転制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記の前処理装置が並列に複数個備えられ、かつ、これらの前処理装置に供給するバイオガスを切り替えるためのバルブを備えたことを特徴とする請求項１ないし２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記の前処理装置の不純物除去性能劣化の検知に基づいて使用中の前処理装置から他の前処理装置へバイオガスの供給先を切り替える制御手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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バイオガス対応の燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池発電装置では、大部分の装置で都市ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）等の炭化水素系ガスが燃料として用いられている。これに対して、下水やし尿、あるいは生ごみ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たバイオガスを燃料とする燃料電池発電装置には、特許文献１や特許文献２等に開示されている燃料電池発電装置があるが、その適用条件は極めて限定されている。
バイオガスから発生させた燃料には、硫化水素、アンモニア、塩素等の不純物のほかに、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の飽和炭化水素や、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不純物として含まれる場合がある。バイオガスを用いる燃料電池発電装置には、これらの不純物を事前に処理するために、通常、活性炭を組み込んだ前処理装置が設置されており、この前処理装置で処理されたバイオガスを改質して燃料電池スタックへ供給し、発電している。
【特許文献１】特開2004―95370号公報
【特許文献２】特開2005―190802号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
バイオガスを用いる燃料電池発電装置においては、適用されるバイオガスの形態や場所、その他の要因が使用条件毎に異なるので、バイオガス燃料中に含まれる上記のごとき不純物の量の変動が大きく、特に、飽和炭化水素やシロキサン等の炭化水素化合物は年間を通じて変動が大きい。このため、バイオガスの不純物を事前に処理する前処理装置の寿命予測が難しく、処理の不十分なバイオガスを長時間供給して燃料電池発電装置の性能を劣化させてしまうという問題点があった。また、飽和炭化水素やシロキサン等の炭化水素化合物の分析には大掛かりな分析装置が必要とされるので、現地で常時分析し、監視を行うことは困難である。
本発明は、このような技術の現状を考慮してなされたもので、バイオガスを用いる燃料電池発電装置において、燃料改質装置の前段に配置されるバイオガス前処理装置の不純物吸着性能の劣化が迅速に検知され、適切に処置されて、信頼性の高い発電運転が確保される燃料電池発電装置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】
【０００４】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
バイオガスを通流して含まれる不純物を除去するバイオガス前処理装置と、この前処理装置で処理された燃料を改質する改質装置と、この改質装置で得られた燃料を導入して電気化学的に発電する燃料電池スタックとを備えた燃料電池発電装置において、
（１）改質装置の温度の変化、あるいは改質装置を流れるガスの温度の変化を検知する温度検知手段を備え、この温度検知手段による温度上昇検知信号に基づいて前記の前処理装置の不純物除去性能劣化を検知することとする。
（２）さらに上記（１）の燃料電池発電装置において、前記の前処理装置の不純物除去性能劣化の検知に基づいて発電の出力低減又は停止を自動的に行う運転制御手段を備えることとする。
（３）また、上記（１）または（２）の燃料電池発電装置において、前処理装置を並列に複数個備え、かつ、これらの前処理装置に供給するバイオガスを切り替えるためのバルブを備えることとする。
（４）また、上記（３）の燃料電池発電装置において、前記の前処理装置の不純物除去性能劣化の検知に基づいて使用中の前処理装置から他の前処理装置へバイオガスの供給先を切り替える制御手段を備えることとする。
【発明の効果】
【０００５】
バイオガスを燃料として用いる燃料電池発電装置において、バイオガスの不純物の除去が不十分な場合には、不純物を含んだバイオガスが脱硫器や改質器で構成される改質装置を経て燃料電池スタックへと送られることとなるが、硫黄化合物等の不純物は脱硫器で吸着除去されるのに対して、飽和炭化水素やシロキサン等の炭化水素化合物は脱硫器で除去できないので、不純物を吸着除去するバイオガス前処理装置の不純物除去性能が低下すると、後段の改質器には飽和炭化水素やシロキサン等の炭化水素化合物を含んだバイオガスが供給される。したがって、これらの不純物によって改質器触媒層での改質反応が阻害され、吸熱反応である改質反応の反応度が低下するので、この部分での吸熱量が低下し、温度が上昇することとなる。したがって上記の（１）のごとく、改質装置の温度の変化、あるいは改質装置を流れるガスの温度の変化を検知する温度検知手段を備え、この温度検知手段による温度上昇検知信号に基づいて前記の前処理装置の不純物除去性能劣化を検知することとすれば、不純物除去性能の劣化を早期に検知し、前処理装置の保守を適切に実施することができる。
また、上記の（２）のごとく、上記の温度検知手段を備えた燃料電池発電装置に、さらに、前記の前処理装置の不純物除去性能劣化の検知に基づいて発電の出力低減又は停止を自動的に行う運転制御手段を備えれば、前処理装置の不純物除去性能の劣化が早期に検知され、発電運転が適正、かつ自動的に制御されるので、効果的な運転が可能となる。
【０００６】
また、さらに、上記の（３）のごとく前処理装置を並列に複数個備え、かつ、これらの前処理装置に供給するバイオガスを切り替えるためのバルブを備えれば、前処理装置の不純物除去性能の劣化状態を早期に判断して適正に作動する前処理装置を連結して処理に用いることが可能となり、さらに、上記の（４）のごとく、前記の前処理装置の不純物除去性能劣化の検知に基づいて使用中の前処理装置から他の前処理装置へバイオガスの供給先を切り替える制御手段を備えれば、前処理装置の不純物除去性能の劣化状態が早期に、自動的、かつ、適正に判断され、適正に作動する前処理装置が連結されて処理されることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の燃料電池発電装置の最良の実施形態は、バイオガスを通流して含まれる不純物を除去するバイオガス前処理装置と、この前処理装置で処理された燃料を改質する改質装置と、この改質装置で得られた燃料を導入して電気化学的に発電する燃料電池スタックとを備えた燃料電池発電装置において、改質装置の温度の変化、あるいは改質装置を流れるガスの温度の変化を検知する温度検知手段を備え、この温度検知手段による温度検知信号に基づいて前記の前処理装置の不純物除去性能劣化を検知することとした形態、さらには、この前処理装置の不純物除去性能劣化の検知に基づいて発電の出力低減又は停止を自動的に行う運転制御手段を備えた形態にある。
また、上記の燃料電池発電装置において、前処理装置を並列に複数個備え、かつ、これらの前処理装置に供給するバイオガスを切り替えるためのバルブを備えた形態とし、さらに、前記の前処理装置の不純物除去性能劣化の検知に基づいて使用中の前処理装置から他の前処理装置へバイオガスの供給先を切り替える制御手段を備えれば、より好適な形態となる。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例の燃料ガス供給系の主要部の構成図で、１は燃料電池スタック、２は改質器、３は熱交換器、４は脱硫器である。また、６，７，８，９は、それぞれ、バイオガス脱硫器入口温度検知センサー、脱硫器触媒温度検知センサー、改質ガス改質器出口温度検知センサー、改質器触媒温度検知センサーであり、１１は脱硫器、１２は前処理装置である。本実施例の燃料電池発電装置では、バイオガスは、脱硫器１１で脱硫され、前処理装置１２で不純物除去された後、熱交換器３で加温し、脱硫器４で再度脱硫の後、改質器２の触媒層へと送られて高水素濃度の改質ガスへと改質され、燃料電池スタック１の燃料極へ燃料として供給される。
本実施例においては、前処理装置１２の不純物除去性能が不十分となった場合には、不純物を含むバイオガスが後段の改質器２へ供給される。このため触媒層での改質反応（吸熱反応）が阻害され、吸熱量が減少するので、触媒層の温度が上昇する。したがって、改質器２の触媒層に組み込んだ改質器触媒温度検知センサー９の温度上昇を検知することにより、前処理装置１２の不純物除去性能の劣化を早期に把握することができる。したがって、改質器触媒温度検知センサー９の温度上昇を検知した場合、アラームを発生させ、負荷の低減、あるいは運転停止等の措置を講じ、前処理装置１２の活性炭の交換等の保守作業が行われることとなる。
また、改質器２は改質性能を維持するために、触媒層出口温度がある規定値となるよう制御されている。そのため、触媒層入口部分で反応が阻害されて有効な触媒量が減少した場合には、それを補うためにバーナーでの燃焼量を増加させて触媒層出口温度を規定値に保持しており、その結果、改質ガスの改質器出口温度が上昇する。したがって、上記の改質器触媒温度検知センサー９の温度上昇の検知に替えて、改質ガス改質器出口温度検知センサー８の温度上昇の検知により前処理装置１２の不純物除去性能の劣化を把握してもよい。さらに、このように改質器出口温度が上昇すると、熱交換器３を介してバイオガスの脱硫器入口温度や脱硫器の触媒温度も上昇するので、バイオガス脱硫器入口温度検知センサー６や脱硫器触媒温度検知センサー７の温度上昇の検知により前処理装置１２の不純物除去性能の劣化を把握することとしてもよい。
【実施例２】
【０００９】
図２は、本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例の燃料ガス供給系の主要部の構成図である。本図においても図１に表示の構成要素と同一機能を有する構成要素には同一符号が付されている。本実施例の構成の特徴は、図１と同様に改質装置の各部に機器あるいはガスの温度を測定する温度検知センサー６，７，８，９が備えられているとともに、バイオガスに含まれる不純物を処理するための前処理装置１２，１３が２台並列に備えられ、前処理装置切替弁１４を介して連結されていることにある。本実施例のごとく構成された燃料電池発電装置では、いずれかの温度検知センサー６，７，８，９の温度上昇が検知され、組み込まれた前処理装置の不純物除去性能の劣化が認められた場合には、前処理装置切替弁１４の操作により使用する前処理装置を、例えば前処理装置１２から前処理装置１３に切り替えることによって、発電運転を継続することが可能となる。なお、本実施例では２台の前処理装置を並列に備えることとしているが、本発明は２台に限るものではなく、３台以上の前処理装置を並列に備えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
以上述べたように、本発明の燃料電池発電装置では、バイオガス中の不純物を除去する前処理装置の吸着除去性能の劣化が迅速に検知され、適切に処置されるので、性能低下を未然に防止して前処理装置の吸着性能を最大限有効に使用し、高い稼働率で、かつ、信頼性の高い発電運転が可能となる。したがって、本発明は、バイオガスを燃料として使用する各種の燃料電池発電装置に広く効果的に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例の燃料ガス供給系の主要部の構成図
【図２】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例の燃料ガス供給系の主要部の構成図
【符号の説明】
【００１２】
１    燃料電池スタック
２    改質器
４    脱硫器
６    バイオガス脱硫器入口温度検知センサー
７    脱硫器触媒温度検知センサー
８    改質ガス改質器出口温度検知センサー
９    改質器触媒温度検知センサー
１１    脱硫器
１２    前処理装置
１３    前処理装置
【図１】
0005211718.tif 000002
【図２】
0005211718.tif 000003