JP2001250572A

JP2001250572A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2001250572A
Application number: JP2000060864A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ogawa; 雅弘小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】供給量に変動や制約がある嫌気性ガス発生設備
から発生する嫌気性ガスを燃料電池発電設備が運転停止
に至ることなしに過不足なく全量消費する。【解決手段】嫌気性ガス発生設備１４からの燃料供給量
と燃料電池発電設備１３による燃料消費量との偏差の積
分値を計測する偏差の積分値計測手段２６と、この偏差
の積分値を常時所定範囲値内となるように燃料電池発電
設備１３の発電出力を制御する出力制御手段３０とを備
えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料と酸化剤との
電気化学反応により発電を行う燃料電池本体を備えた燃
料電池発電設備と、嫌気性排水処理による嫌気性ガス発
生設備とを組み合わせたシステムに係り、特に嫌気性ガ
スを可能な限り有効に利用するための燃料電池発電シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃料の有しているエネルギー
を直接電気に変換する装置として、燃料電池が知られて
いる。この燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応
させ、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができ
る装置である。

【０００３】この燃料電池を用いた燃料電池発電システ
ムは、通常、触媒の作用により水素ガスを主成分とする
燃料ガスを発生させる反応器と、この反応器で発生した
燃料ガスを空気などの酸化ガスと電気化学的に反応させ
て電気エネルギーに変換する燃料電池本体とを備えて構
成されており、比較的小さな規模であっても、発電効率
は４０％に達し、大型火力発電並の効率を誇っている。

【０００４】また、燃料電池発電システムは、近年大き
な社会問題になっている公害要因であるＳＯｘ、ＮＯｘ
の排出がほとんどなく、高効率のためＣＯ_２の排出量も
僅かで、騒音や振動も小さいことから、極めて環境に優
しいシステムであるといえる。

【０００５】さらに、燃料電池発電システムは、負荷変
動に対しての応答性がよく、発電と同時に熱も利用する
ことができるなどの長所も有しているため、今後の商用
化による大量導入が期待されている。

【０００６】そして、燃料電池は多様な燃料が適用可能
である。最近ではこの特徴を活かし、下水処理場で発生
する消化ガスや生ゴミ、または食品工場の排水から発生
するバイオガスを燃料とした燃料電池発電システムの検
証も完了しており、資源の有効利用という観点からも今
後の普及が期待されている。

【０００７】ところで、燃料電池発電プラントは、通常
電力発電出力優先の制御で運転されている。すなわち、
電力系統連系運転時には通常オペレータによる指令によ
り発電出力が決定され、また系統独立運転時にはその燃
料電池発電システムに接続された電力負荷に釣り合うよ
うに、自動的に発電出力が制御される。

【０００８】図３は従来の燃料電池発電システムを示す
ブロック図である。

【０００９】図３において、発電出力設定器１により発
電出力信号（設定器）２が、またはインバータ３の電圧
制御により発電出力信号（インバータ）４が、それぞれ
プラントコントローラ５に入力される。

【００１０】このプラントコントローラ５は、その発電
出力信号２に応じた弁開度指令信号６を燃料調節弁７に
出力し、その結果燃料入口８から導入された燃料が必要
量燃料配管９を通って改質器・燃料電池１０に供給され
る。この改質器・燃料電池１０にて発電された直流電力
１１は上記インバータ３により交流に変換されて交流電
力１２として負荷へ出力される。これらは通常燃料電池
発電設備１３としてパッケージ化されている。

【００１１】上記のような燃料電池発電設備１３の制御
は、発電出力最優先の制御であり、燃料はその発電出力
に見合う量が導入される。すなわち、燃料は必要なとき
に必要なだけ燃料電池発電設備１３に供給可能という前
提の下で実施されている。通常、燃料電池発電システム
は都市ガスやＬＰＧ（液化石油ガス）で発電を行うこと
から、かかる条件を満足するものとなっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに都市ガスやＬＰＧを燃料として発電を行う場合に
は、通常ガスの供給には制約がないため、電力発電出力
優先制御の従来の燃料電池発電設備１３でも何ら問題は
ない。

【００１３】しかしながら、前述した生ゴミや食品工場
排水を処理して嫌気性ガスを発生させるような場合に
は、発生したガス量の変化に応じて燃料電池発電設備１
３が発電出力を調節し、全て過不足なく嫌気性ガスを消
費してほしいというニーズが高い。

【００１４】従来の燃料電池発電システムでは、このよ
うな要求がある場合は発電出力をガス発生量に比べ低め
に設定して発電し、余剰ガスは放出するかボイラなどへ
送り燃焼するという方法が一般的であった。しかし、こ
の方法では余剰ガスの無駄が多くなり、低効率なシステ
ムとなることが避けられない。他方、もし発電出力が大
き過ぎ、嫌気性ガスが足りなくなった場合には、燃料電
池発電システムがガス不足により停止することになる。
このガス不足による強制停止や頻繁な停止は、燃料電池
発電システムにダメージを与える可能性が高いため、こ
のようなシステムでは燃料電池発電システムとしての信
頼性が低下する可能性があり、大きな問題となってい
た。

【００１５】上記の問題を解決する簡易な方法として、
供給されるガスを流量計を用いて計測し、そのガス量に
対応した制御を行うような手段も提案されている。しか
し、このような瞬時値に基づく比例式の制御方法では、
如何に厳密に計測しても必ず誤差が生じ、それが時間と
ともに積分効果で拡大し、バランスが狂うことが避けら
れないシステムとなってしまう課題がある。

【００１６】そこで、本発明は上記事情を考慮してなさ
れたもので、供給量に変動や制約がある嫌気性ガス発生
設備から発生する嫌気性ガスを燃料電池発電設備が運転
停止に至ることなしに過不足なく全量消費することがで
き、高効率で高信頼性の燃料電池発電システムを提供す
ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、電解質層を挟んで対向配置
された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれ
ぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応によ
り発電を行い、この発電された電力を負荷へ供給する燃
料電池本体を備えた燃料電池発電設備と、この燃料電池
発電設備へ燃料を供給する嫌気性排水処理による嫌気性
ガス発生設備とを備えて構成される燃料電池発電システ
ムにおいて、前記嫌気性ガス発生設備からの燃料供給量
と前記燃料電池発電設備による燃料消費量との偏差の積
分値を計測する偏差の積分値計測手段と、この偏差の積
分値計測手段により計測された偏差の積分値を常時所定
範囲値内となるように前記燃料電池発電設備の発電出力
を制御する出力制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００１８】請求項１記載の発明においては、嫌気性ガ
ス発生設備で発生する嫌気性ガス量と燃料電池発電設備
における現在の消費量との偏差を積分値として偏差の積
分値計測手段により計測し、この計測値に基づいて発電
出力が制御される。

【００１９】すなわち、嫌気性ガスの発生量に対し、燃
料電池発電設備における現在の消費量が少ない場合は、
偏差（発生を正）の積分値が徐々に上昇する。それを受
けて、燃料電池発電設備の発電出力が出力制御手段によ
り上げれられるため、嫌気性ガス消費量が増加し、発生
量と消費量との偏差の積分値が低下することになる。

【００２０】このようにして嫌気性ガスの発生量と消費
量との偏差の積分値を所定範囲値内に収まるように制御
することで、発生した嫌気性ガスを過不足なく全量消費
することができ、高効率で無駄のない最適なシステムを
構築することができる。

【００２１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池発電システムにおいて、偏差の積分値計測手段に
より計測された偏差の積分値に基づいて嫌気性ガス発生
設備よりの燃料供給量を制御可能とする制御手段を設け
たことを特徴とする。

【００２２】請求項２記載の発明においては、嫌気性ガ
スを全量消費するとともに、燃料電池発電設備をガス不
足で停止させることのないように、嫌気性ガスの発生量
と消費量との偏差の積分値に加え、嫌気性ガス発生設備
よりの燃料供給量をも制御している。

【００２３】すなわち、嫌気性ガスの発生量が多い場合
は、嫌気性ガス発生設備よりの燃料供給量が高めに制御
されており、この状態から嫌気性ガスの発生量と消費量
の偏差の積分値が一定限界値以上となり、嫌気性ガスを
放出する状況になった場合には、嫌気性ガス発生設備の
燃料供給量を低下させることにより、嫌気性ガス発生設
備の上部に嫌気性ガスを蓄えることができるため、嫌気
性ガスの放出を防ぐことができる。

【００２４】また、逆に嫌気性ガスの発生量が少ない場
合は、嫌気性ガス発生設備よりの燃料供給量が低めに制
御されており、この状態から嫌気性ガスの発生量と消費
量の偏差の積分値が一定限界値以下となり、燃料電池発
電システムが嫌気性ガス不足で停止する状況になった場
合には、嫌気性ガス発生設備よりの燃料供給量を上昇さ
せることにより、嫌気性ガス発生設備の上部の嫌気性ガ
スを使用することができ、燃料電池発電設備の停止を防
ぐことができる。

【００２５】以上の制御により、供給量に変動や制約が
ある嫌気性ガス発生設備から発生する嫌気性ガスを、燃
料電池発電設備が運転停止に至ることなしに、過不足な
く全量消費することができ、高効率で高信頼性の燃料電
池発電システムを構築することができる。

【００２６】請求項３記載の発明は、電解質層を挟んで
対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化
剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学
反応により発電を行い、この発電された電力を負荷へ供
給する燃料電池本体を備えた燃料電池発電設備と、この
燃料電池発電設備へ燃料を供給する嫌気性排水処理によ
る嫌気性ガス発生設備とを備えて構成される燃料電池発
電システムにおいて、前記嫌気性ガス発生設備からの燃
料供給量と前記燃料電池発電設備による燃料消費量との
偏差の積分値を計測する偏差の積分値計測手段と、前記
嫌気性ガス発生設備に流入する排水の流量を計測する流
量計測手段と、前記偏差の積分値計測手段により計測さ
れた偏差の積分値と前記流量計測手段により計測された
流量値に基づいて前記偏差の積分値を常時所定範囲値内
となるように前記燃料電池発電設備の発電出力を制御す
る出力制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００２７】請求項３記載の発明においては、請求項１
の作用および効果に加え、嫌気性ガス発生設備に流入す
る排水の量を流量計測手段により計測するものであり、
嫌気性ガス発生設備に流入する排水の流入量が増加する
と、一定の時間遅れ後、嫌気性ガスの発生量が増加する
ことになるため、予め嫌気性ガスの発生量と消費量との
偏差の積分値を低めに制御させる。これにより、嫌気性
ガスが一定時間後に急に増加しても、嫌気性ガスを無駄
に放出する可能性が低くなる。

【００２８】また、逆に嫌気性ガス発生設備に流入する
排水の流入量が低下した場合には、偏差の積分値を予め
高めに設定することにより、嫌気性ガス発生量が急に低
下した場合にも、燃料電池発電設備をガス不足で停止さ
せることなく、嫌気性ガスを効率的に消費することがで
きる。

【００２９】以上の制御により、供給量に変動や制約が
ある嫌気性ガス発生設備から発生する嫌気性ガスを、燃
料電池発電設備が運転停止に至ることなしに、過不足な
く全量消費することができ、高効率で高信頼性の燃料電
池発電システムを構築することができる。

【００３０】請求項４記載の発明は、請求項３記載の燃
料電池発電システムにおいて、偏差の積分値計測手段に
より計測された偏差の積分値と流量計測手段により計測
された流量値に基づいて嫌気性ガス発生設備よりの燃料
供給量を制御可能とする制御手段を設けたことを特徴と
する。

【００３１】請求項４記載の発明においては、嫌気性ガ
スの発生量と消費量との偏差の積分値に加えて流量計測
手段により計測された流量値に基づいて、嫌気性ガス発
生設備よりの燃料供給量をも制御している。

【００３２】請求項５記載の発明は、電解質層を挟んで
対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化
剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学
反応により発電を行い、この発電された電力を負荷へ供
給する燃料電池本体を備えた燃料電池発電設備と、この
燃料電池発電設備へ燃料を供給する嫌気性排水処理によ
る嫌気性ガス発生設備とを備えて構成される燃料電池発
電システムにおいて、前記嫌気性ガス発生設備からの燃
料供給量と前記燃料電池発電設備による燃料消費量との
偏差の積分値を計測する偏差の積分値計測手段と、前記
嫌気性ガス発生設備に流入する排水の有機物量を計測す
る有機物量計測手段と、前記偏差の積分値計測手段によ
り計測された偏差の積分値と前記有機物量計測手段によ
り計測された有機物量に基づいて前記偏差の積分値を常
時所定範囲値内となるように前記燃料電池発電設備の発
電出力を制御する出力制御手段とを備えたことを特徴と
する。

【００３３】請求項５記載の発明においては、請求項１
記載の発明の作用、効果に加え、嫌気性ガス発生設備に
流入する有機物の量を有機物量計測手段により計測する
ことにより、請求項３記載の発明に比べて一段と高精度
の制御が可能となる。

【００３４】請求項６記載の発明は、請求項５記載の燃
料電池発電システムにおいて、偏差の積分値計測手段に
より計測された偏差の積分値と有機物量計測手段により
計測された有機物量に基づいて嫌気性ガス発生設備より
の燃料供給量を制御可能とする制御手段を設けたことを
特徴とする。

【００３５】請求項６記載の発明においては、嫌気性ガ
スの発生量と消費量との偏差の積分値に加えて有機物量
計測手段により計測された有機物量に基づいて、嫌気性
ガス発生設備よりの燃料供給量をも制御している。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００３７】図１は本発明に係る燃料電池発電システム
の一実施形態を示すブロック図である。なお、従来の構
成と同一または対応する部分には、図３と同一符号を付
して説明する。また、燃料電池発電設備１３の構成は、
従来と同様であるのでその説明を省略する。

【００３８】図１に示すように、本実施形態の燃料電池
発電システムは、図３と同様に電解質層を挟んで対向配
置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそ
れぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応に
より発電を行い、この発電された電力を負荷へ供給する
燃料電池本体としての改質器・燃料電池１０を備えた燃
料電池発電設備１３が設置されており、図３に示す従来
例おける発電出力設定器１が省略されている。

【００３９】また、本実施形態の燃料電池発電システム
は、燃料電池発電設備１３へ燃料を供給する嫌気性排水
処理による嫌気性ガス発生設備１４を有し、この嫌気性
ガス発生設備１４は、調整槽１５およびバイオリアクタ
１６を有するとともに、調整槽１５により調整された調
整水をバイオリアクタ１６に送る調整水ポンプ１７と、
バイオリアクタ１６での処理水を調整槽１５に戻す処理
水リサイクルポンプ１８とから構成されている。そし
て、調整槽１５には、調整水の液面レベルを検出するた
めの調整槽液面レベル計１９が設置されている。

【００４０】嫌気性ガス発生設備１４の調整槽１５は、
排水供給管２０を介して工場排水を貯める排水槽２１と
接続されており、排水供給管２０には、排水ポンプ２２
が介挿され、この排水ポンプ２２を作動させることによ
り、排水槽２１に貯めた工場排水が調整槽１５に供給さ
れる。

【００４１】また、排水供給管２０には、排水ポンプ２
２の上流側に、調整槽１５に流入する排水の流量を計測
する流量計測手段としての流量計２３が設置される一
方、排水ポンプ２２の下流側に、調整槽１５に流入する
排水の有機物量を計測する有機物量計測手段としての有
機物計測器２４が設置されている。

【００４２】一方、嫌気性ガス発生設備１４は、ガス供
給管２５を介して嫌気性ガス発生設備１４からの燃料供
給量と燃料電池発電設備１３による燃料消費量との偏差
の積分値を計測する偏差の積分値計測手段２６が接続さ
れ、この偏差の積分値計測手段２６は、嫌気性ガス発生
設備１４から供給された嫌気性ガスであるメタンガスを
収容する容積式のガスホルダ２７と、このガスホルダ２
７のレベルを伝送するレベル伝送器２８とから構成され
ている。そして、ガス供給管２５には、嫌気性ガス発生
設備１４にて発生したメタンガスの流量を計測するメタ
ンガス流量計２９が介挿されている。

【００４３】また、偏差の積分値計測手段２６は、出力
制御手段としての最適発電出力設定器３０と電気的に接
続され、この最適発電出力設定器３０は、偏差の積分値
計測手段２６により計測された偏差の積分値を常時所定
範囲値内となるように、すなわち偏差の積分値計測手段
２６により計測された偏差の積分値に基づいて燃料電池
発電設備１３における最適発電出力値を算出し、プラン
トコントローラ５に発電出力信号を出力して最適発電出
力値となるように燃料電池発電設備１３の発電出力を制
御する。

【００４４】つまり、最適発電出力設定器３０は、プラ
ントコントローラ５から弁開度指令信号６を出力して燃
料調節弁７の開度を調節することで、燃料配管９を経て
改質器・燃料電池１０に供給される燃料を調節して燃料
電池発電設備１３の発電出力を制御する。

【００４５】さらに、最適発電出力設定器３０には、通
信線３１を介して制御手段としての嫌気性ガス発生コン
トローラ３２が接続され、互いに必要な信号を送受信可
能としている。この嫌気性ガス発生コントローラ３２に
は、排水ポンプ２２、調整槽液面レベル計１９、流量計
２３および有機物計測器２４が電気的に接続されるとと
もに、偏差の積分値計測手段２６により計測された偏差
の積分値に基づいて嫌気性ガス発生設備１４の調整槽１
５からの燃料供給量を制御可能とする。

【００４６】すなわち、嫌気性ガス発生コントローラ３
２は、偏差の積分値計測手段２６により計測された偏差
の積分値に基づいて嫌気性ガス発生設備１４の調整槽１
５の液面レベルの最適レベルを算出し、かつこの最適レ
ベルとなるように例えば排水ポンプ２２を作動制御させ
て嫌気性ガス発生設備の調整槽１５の液面レベルを制御
するようにしている。

【００４７】ここで、最適発電出力設定器３０は、偏差
の積分値計測手段２６により計測された偏差の積分値
と、流量計２３により計測された流量値または有機物計
測器２４により計測された有機物量に基づいて偏差の積
分値を常時所定範囲値内となるように燃料電池発電設備
１３の発電出力を制御してもよい。

【００４８】つまり、最適発電出力設定器３０は、偏差
の積分値計測手段２６により計測された偏差の積分値
と、流量計２３により計測された流量値または有機物計
測器２４により計測された有機物量に基づいて燃料電池
発電設備１３における最適発電出力値を算出し、かつこ
の最適発電出力値となるように燃料電池発電設備１３の
発電出力を制御してもよい。

【００４９】また、嫌気性ガス発生コントローラ３２
は、偏差の積分値計測手段２６により計測された偏差の
積分値と流量計２３により計測された流量値または有機
物計測器２４により計測された有機物量により計測され
た流量値に基づいて嫌気性ガス発生設備１４の調整槽１
５からの燃料供給量を制御するようにしてもよい。

【００５０】すなわち、嫌気性ガス発生コントローラ３
２は、偏差の積分値計測手段２６により計測された偏差
の積分値と流量計２３により計測された流量値または有
機物計測器２４により計測された有機物量により計測さ
れた流量値に基づいて嫌気性ガス発生設備１４の調整槽
１５の液面レベルの最適レベルを算出し、かつこの最適
レベルとなるように嫌気性ガス発生設備１４の調整槽１
５の液面レベルを制御するようにしてもよい。

【００５１】次に、以上のように構成した本実施形態の
燃料電池発電システムの作用について説明する。

【００５２】図１において、嫌気性ガス発生設備１４の
バイオリアクタ１６にて発生したメタンガスは、ガス供
給管２５を経てガスホルダ２７に一時的に蓄えられた
後、燃料電池発電設備１３に供給されて燃料電池発電設
備１３により消費される。

【００５３】ここで、燃料電池発電設備１３により消費
されるメタンガスの量がバイオリアクタ１６で発生する
量に比べて多い場合には、ガスホルダ２７のレベルが徐
々に低下することになる。つまり、偏差（発生を正）の
積分値が徐々に低下する。このレベル情報はレベル伝送
器２８から最適発電出力設定器３０に出力される。そし
て、レベル伝送器２８からこの情報を受けた最適発電出
力設定器３０は、燃料電池発電設備１３の発電出力を低
下させるようにプラントコントローラ５に発電出力信号
２として指令を送る。

【００５４】このプラントコントローラ５は、弁開度指
令信号６を出力して燃料調節弁７の開度を調節すること
で、燃料配管９を経て改質器・燃料電池１０に供給され
る燃料を調節して燃料電池発電設備１３の発電出力を制
御する。その結果、燃料電池発電設備１３の発電出力が
低下するとともに、燃料消費量が減少するため、ガスホ
ルダ２７のレベルが徐々に復帰し、消費量と発生量との
偏差の積分値が上昇することになる。

【００５５】また、逆に燃料電池発電設備１３により消
費される燃料としてのメタンガスの量がバイオリアクタ
１６での発生量に比べて少ない場合には、ガスホルダ２
７のレベルが徐々に上昇することになる。つまり、偏差
（発生を正）の積分値が徐々に上昇する。このレベル情
報はレベル伝送器２８から最適発電出力設定器３０に出
力される。そして、レベル伝送器２８からこの情報を受
けた最適発電出力設定器３０は、燃料電池発電設備１３
の発電出力を上昇させるようにプラントコントローラ５
に発電出力信号２として指令を送る。その結果、燃料電
池発電設備１３の発電出力が上昇するとともに、燃料消
費量が増大するため、ガスホルダ２７のレベルが徐々に
復帰し、消費量と発生量との偏差の積分値が低下するこ
とになる。

【００５６】このように本実施形態では、嫌気性ガス発
生設備１４のバイオリアクタ１６で発生するメタンガス
の量と燃料電池発電設備１３における現在の消費量との
偏差を、ガスホルダ２７のレベルの積分値として偏差の
積分値計測手段２６により計測し、この計測値に基づい
て発電出力が制御される。

【００５７】すなわち、嫌気性ガスとしてのメタンガス
の発生量に対し、燃料電池発電設備１３における現在の
消費量が少ない場合は、偏差（発生を正）の積分値が徐
々に上昇する。それを受けて、燃料電池発電設備１３の
発電出力が最適発電出力設定器３０により上げれられる
ため、メタンガスの消費量が増加し、発生量と消費量と
の偏差の積分値が低下することになる。

【００５８】このようにしてメタンガスの発生量と消費
量との偏差の積分値を所定範囲内に収まるように最適発
電出力設定器３０により制御することで、一段と高精度
の制御が可能となり、発生したメタンガスを過不足なく
全量消費することができ、高効率で無駄のない最適なシ
ステムを構築することができる。

【００５９】また、本実施形態では、嫌気性ガス発生設
備１４の調整槽１５に流入する排水の量を流量計２３に
より計測している。したがって、嫌気性ガス発生設備１
４の調整槽１５に流入する排水の流入量が増加すると、
一定の時間遅れ後、メタンガスの発生量が増加すること
になるため、予めメタンガスの発生量と消費量との偏差
の積分値を低めに制御させる。これはガスホルダ２７の
レベルの場合は、レベルを低めで制御させることであ
る。これにより、メタンガスが一定時間後に急に増加し
ても、ガスホルダ２７のレベルの上限に到達しにくくな
り、メタンガスを無駄に放出する可能性が低くなる。

【００６０】また、逆に嫌気性ガス発生設備１４の調整
槽１５に流入する排水の流入量が低下した場合には、ガ
スホルダ２７のレベル制御を予め高めに設定することに
より、メタンガス発生量が急に低下した場合にも、燃料
電池発電設備１３をガス不足で停止させることなく、メ
タンガスを効率的に消費することができる。

【００６１】以上の制御により、供給量に変動や制約が
ある嫌気性ガス発生設備１４から発生するメタンガス
を、燃料電池発電設備１３が運転停止に至ることなし
に、過不足なく全量消費することができる。

【００６２】さらに、本実施形態では、調整槽１５に導
入される有機物の量を有機物計測器２４により計測する
とともに、メタンガス流量をメタンガス流量計２９によ
り計測し、嫌気性ガス発生設備コントローラ３２によっ
て過去のメタンガス発生量を把握し、それらを元に今後
のメタンガス発生量を予測している。

【００６３】すなわち、調整槽１５に導入される有機物
の量が増加した場合は、一定時間後（通常数時間後）に
現状より多量のメタンガスが発生するのを予測すること
ができる一方、有機物の量が減少した場合には、一定時
間後にガスの発生量が低下するのを予測することができ
る。

【００６４】この予測情報は、嫌気性ガス発生設備コン
トローラ３２から通信線３１を通して最適発電出力設定
器３０に出力され、最適発電出力設定器３０はその予測
情報を受けてより適切な発電出力の設定を行い、その発
電出力信号２がプラントコントローラ５に出力される。

【００６５】また、ガスホルダ２７のレベルが上限値を
超えた場合には、その情報はレベル伝送器２８から最適
発電出力設定器３０に出力され、この最適発電出力設定
器３０から通信線３１を通して嫌気性ガス発生設備コン
トローラ３２に出力される。この嫌気性ガス発生設備コ
ントローラ３２は、その情報を受けて調整槽１５のレベ
ルを一時的に低下させる。その結果、メタンガスを無駄
に放出することなしにガスホルダ２７のレベルを急に低
下させ適正レベルに戻す。

【００６６】また、逆にガスホルダ２７のレベルが下限
値を下回った場合には、その情報はレベル伝送器２８か
ら最適発電出力設定器３０に出力され、この最適発電出
力設定器３０から通信線３１を通して嫌気性ガス発生設
備コントローラ３２に出力される。この嫌気性ガス発生
設備コントローラ３２は、その情報を受けて調整槽１５
のレベルを一時的に上昇させる。その結果、ガスホルダ
２７のレベルが急上昇して適正レベルに戻り、燃料電池
発電設備１３をガス不足で停止するのを未然に防止する
ことができる。

【００６７】これらの制御の具体的なロジック図を図２
に示す。基本制御は通常のＰＩＤ制御ではなく、燃料電
池発電設備１３の発電出力を可能な限り一定とするため
に、不感帯を持たせた変則ＰＩＤ制御としている。

【００６８】前述したように、メタンガスの発生が今後
低下しそうな場合には、ガスホルダ２７の上側で制御し
てガス不足に備えるとともに、逆にメタンガスの発生が
今後増加しそうな場合には、ガスホルダ２７の下側で制
御させガスの無駄な放出を極力防止することとしてい
る。

【００６９】さらに、この制御でもガスホルダ１４のレ
ベルが上限／下限値を超える事態となった場合には、調
整槽１５の液面レベルを変化させることにより、調整槽
１５上部をガスホルダ機能として使用することで、より
柔軟な対応を可能としている。

【００７０】すなわち、本実施形態では、メタンガスの
発生量が多い場合は、嫌気性ガス発生設備１４の調整槽
１５のレベルが高めに制御されており、この状態からメ
タンガスの発生量と消費量との偏差の積分値が一定限界
値以上となり、メタンガスを放出する状況になった場合
には、嫌気性ガス発生設備１４の調整槽１５の液面レベ
ルを低下させることにより、嫌気性ガス発生設備１４の
上部にメタンガスを蓄えることができるため、メタンガ
スの放出を防ぐことができる。

【００７１】また、逆に嫌気性ガスの発生量が少ない場
合は、嫌気性ガス発生設備１４の調整槽１５の液面レベ
ルが低めに制御されており、この状態からメタンガスの
発生量と消費量との偏差の積分値が一定限界値以下とな
り、燃料電池発電設備１３がメタンガス不足で停止する
状況になった場合には、嫌気性ガス発生設備１４の調整
槽１５の液面レベルを上昇させることにより、嫌気性ガ
ス発生設備１４の調整槽１５上部のメタンガスを使用す
ることができ、燃料電池発電設備１３の停止を防ぐこと
ができる。

【００７２】以上の制御により、供給量に変動や制約が
ある嫌気性ガス発生設備１４のバイオリアクタ２１から
のメタンガス発生量が変動しても、その発生したメタン
ガスを、燃料電池発電設備１３が運転停止に至ることな
しに、過不足なく全量消費することができ、高効率で高
信頼性の燃料電池発電システムを構築することができ
る。

【００７３】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ことなく種々の変更が可能である。例えば、前記実施形
態では、容積式のガスホルダ１４を用い、供給燃料と消
費燃料との偏差の積分値をガスホルダ２７のレベルとい
う形態で認識したが、これに限らず内容積一定式の燃料
ガス貯蔵設備容器を用い、偏差の積分値を圧力変化とい
う形態で認識し、それに基づいて発電負荷を制御する手
段もある。この場合の作用および効果は上記実施形態と
同様である。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る燃料
電池発電システムよれば、嫌気性ガス発生設備からの燃
料供給量と燃料電池発電設備による燃料消費量との偏差
の積分値を計測する偏差の積分値計測手段と、この偏差
の積分値計測手段により計測された偏差の積分値を常時
所定範囲内となるように燃料電池発電設備の発電出力を
制御する出力制御手段とを設けたことにより、供給量に
変動や制約がある嫌気性ガス発生設備から発生する嫌気
性ガスを、燃料電池発電設備の運転が停止に至ることな
しに、過不足なく全量消費することができる高効率で高
信頼性の燃料電池発電システムを構築することが可能と
なる。

【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一実施形
態を示すブロック図。

【図２】図１の燃料電池発電システムにおける最適負荷
設定器の制御方法を示すロジック図。

【図３】従来の燃料電池発電システムを示すブロック
図。

【符号の説明】

５プラントコントローラ１０改質器・燃料電池（燃料電池本体）１３燃料電池発電設備１４嫌気性ガス発生設備１５調整槽１６バイオリアクタ１７調整水ポンプ１８処理水リサイクルポンプ１９調整槽液面レベル計２０排水供給管２１排水槽２２排水ポンプ２３流量計（流量計測手段）２４有機物計測器（有機物量計測手段）２５ガス供給管２６偏差の積分値計測手段２７ガスホルダ２８レベル伝送器２９メタンガス流量計３０最適発電出力設定器（出力制御手段）３１通信線３２嫌気性ガス発生コントローラ（制御手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質層を挟んで対向配置された燃料極
および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、
これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行
い、この発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体
を備えた燃料電池発電設備と、この燃料電池発電設備へ
燃料を供給する嫌気性排水処理による嫌気性ガス発生設
備とを備えて構成される燃料電池発電システムにおい
て、前記嫌気性ガス発生設備からの燃料供給量と前記燃
料電池発電設備による燃料消費量との偏差の積分値を計
測する偏差の積分値計測手段と、この偏差の積分値計測
手段により計測された偏差の積分値を常時所定範囲値内
となるように前記燃料電池発電設備の発電出力を制御す
る出力制御手段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２】請求項１記載の燃料電池発電システムに
おいて、偏差の積分値計測手段により計測された偏差の
積分値に基づいて嫌気性ガス発生設備よりの燃料供給量
を制御可能とする制御手段を設けたことを特徴とする燃
料電池発電システム。
【請求項３】電解質層を挟んで対向配置された燃料極
および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、
これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行
い、この発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体
を備えた燃料電池発電設備と、この燃料電池発電設備へ
燃料を供給する嫌気性排水処理による嫌気性ガス発生設
備とを備えて構成される燃料電池発電システムにおい
て、前記嫌気性ガス発生設備からの燃料供給量と前記燃
料電池発電設備による燃料消費量との偏差の積分値を計
測する偏差の積分値計測手段と、前記嫌気性ガス発生設
備に流入する排水の流量を計測する流量計測手段と、前
記偏差の積分値計測手段により計測された偏差の積分値
と前記流量計測手段により計測された流量値に基づいて
前記偏差の積分値を常時所定範囲値内となるように前記
燃料電池発電設備の発電出力を制御する出力制御手段と
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４】請求項３記載の燃料電池発電システムに
おいて、偏差の積分値計測手段により計測された偏差の
積分値と流量計測手段により計測された流量値に基づい
て嫌気性ガス発生設備よりの燃料供給量を制御可能とす
る制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池発電シス
テム。
【請求項５】電解質層を挟んで対向配置された燃料極
および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、
これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行
い、この発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体
を備えた燃料電池発電設備と、この燃料電池発電設備へ
燃料を供給する嫌気性排水処理による嫌気性ガス発生設
備とを備えて構成される燃料電池発電システムにおい
て、前記嫌気性ガス発生設備からの燃料供給量と前記燃
料電池発電設備による燃料消費量との偏差の積分値を計
測する偏差の積分値計測手段と、前記嫌気性ガス発生設
備に流入する排水の有機物量を計測する有機物量計測手
段と、前記偏差の積分値計測手段により計測された偏差
の積分値と前記有機物量計測手段により計測された有機
物量に基づいて前記偏差の積分値を常時所定範囲値内と
なるように前記燃料電池発電設備の発電出力を制御する
出力制御手段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】請求項５記載の燃料電池発電システムに
おいて、偏差の積分値計測手段により計測された偏差の
積分値と有機物量計測手段により計測された有機物量に
基づいて嫌気性ガス発生設備よりの燃料供給量を制御可
能とする制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池発
電システム。