JP2008153149A - 高温型燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高温型燃料電池4と、バイオマスからバイオガスを発生するバイオガス発生装置19と、バイオガス発生装置19で発生したバイオガスを高温型燃料電池4へ供給する供給系統Lとを有しており、バイオガスを吸着して貯蔵する吸着貯蔵装置(吸着貯蔵容器3)を供給系統Lに介装したことを特徴としている。
【選択図】図2
Description
バイオガスは、ガスエンジンの発電で利用する場合が多い。然るに、ガスエンジンは燃料の性質の変化(組成の変化)に対応し難い。
液化方式を用いた場合は、導入、運用コストが高いが、スペースを節約することが出来る。一方、圧縮方式を用いた場合は、導入コストは安価であるが、液化方式を用いた場合に比較して大きなスペースが必要となる。
メタン濃縮装置Cに送られたメタンガスは、濃縮されてメタン濃度が上昇した状態で貯蔵容器3に送られて、貯蔵容器3に貯蔵される。ただし、メタンの濃縮は、必須工程では無い。
前述したように、バイオガス(メタン発酵ガス、消化ガス)の組成は一定ではない。そのために、ガスエンジンEの稼動時には、熱量調整装置Dにおいて、貯蔵容器3から放出(脱着)されたバイオガスに、都市ガス(13Aガス等)が混合され、熱量を調整した後に、ガスエンジンEに供給される。
都市ガス(13Aガス等)とバイオガスとを混焼する場合には、ガスの熱量調整が必要となる。図22において、熱量調整装置Dは、係る熱量調整のために設けられている。
前記供給系(L)は分岐ライン(Lb)を有しており、該分岐ライン(Lb)は都市ガスの供給系統(都市ガスのガス管Lc)に接続されているのが好ましい(図22)。
ただし、コンプレッサの頻繁な再起動を避けるため、停止時から始動までにインターバルをおく場合もある。
ここで、「高温型燃料電池(4)の発電出力及び/又は高温型燃料電池(4)への燃料供給量を増加させる制御」なる文言は、高温型燃料電池(4)の発電出力及び高温型燃料電池(4)への燃料供給量を共に増加させる制御と、高温型燃料電池(4)への燃料供給量を変化させずに高温型燃料電池(4)の発電出力のみを増加させる制御と、高温型燃料電池(4)の発電出力を変化させずに高温型燃料電池(4)への燃料供給量のみを増加させる制御を包含している。
ここで、「高温型燃料電池(4)の発電出力及び/又は高温型燃料電池(4)への燃料供給量を増加する」という文言は、高温型燃料電池(4)の発電出力及び高温型燃料電池(4)への燃料供給量を共に増加させることと、高温型燃料電池(4)への燃料供給量を変化させずに高温型燃料電池(4)の発電出力のみを増加させることと、高温型燃料電池(4)の発電出力を変化させずに高温型燃料電池(4)への燃料供給量のみを増加させることを包含している。
ここで、CO2改質システムは、水蒸気を用いたメタンの改質(水蒸気改質)を行う一般的なシステムではなく、CO2を用いてメタンを改質するシステムである。
同様にバイオガス中に含まれる二酸化炭素(CO2)は発電に害を為さないので、二酸化炭素除去(メタン濃縮)工程が不要となる。
そして、プロセス簡略化による設備のコンパクト化が図れる。
そのため、本発明によれば、ガスホルダの容積が縮小でき、イニシャルコストの低減(設備費の削減)が図れる。
これに対して本発明では、燃料ガスを消費する設備として、固体酸化物型燃料電池(SOFC)や溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)のような高温型燃料電池を用いており、バイオガスの組成変動の主成分であるメタン(吸着材に吸着され難い成分)と、二酸化炭素(吸着され易い成分)の脱着における組成変動に対しても、ガスエンジンを用いる場合の様に、バイオガスを大幅に稀釈すること無く、対応することが可能である。従って、吸着貯蔵のメリットを十分に享受することができる。
先ず、図1を参照して第1実施形態を説明する。
図1の第1実施形態において、高温作動型燃料電池4としては、固体酸化物型燃料電池(SOFC)を用いている。以下、固体酸化物型燃料電池を「SOFC」と記載する。
除湿・微量成分除去装置2は、省略することも可能であるが、装備してある方が好ましい。
燃料供給ラインLに除湿・微量成分除去設備2を介装するのは、水分は、吸着材に悪影響があるからである。明確には図示されていないが、除湿・微量成分除去装置2の除湿は、例えば水分を冷却することにより脱水する冷却脱水式が採用されている。
吸着貯蔵装置3は吸着材を充填している。吸着材としては、例えば活性炭、ゼオライト、有機金属錯体、メソポーラスシリカ等が用いられる。
ここで、SOFC4側が吸着貯蔵容器3よりも低圧であるので、吸着貯蔵容器3内に貯蔵されたバイオガスは、SOFC4側の低い圧力により吸引されて、(吸着貯蔵容器3内の)吸着材から脱着する。脱着したバイオガスは、流量調整弁Vfで流量調整されて、SOFC4へ供給される。
図1には明示していないが、流量調整弁Vfの上流側に圧力調整機構が設けられている。
同様に、SOFC4(固体酸化物型燃料電池)であれば、バイオガス中に含まれる二酸化炭素(CO2)を除去する工程或いは設備(メタン濃縮)が不要となる。
さらに、プロセス簡略化による設備のコンパクト化が図れる。
図1においては、第1実施形態では、そのような吸着貯蔵容器3を用いることで、従来必要とされるガスホルダの設置に比較して、イニシャルコストの低減(設備費の削減)を図ることが出来る。
図2において、全体を符号102で示す高温型燃料電池システム(第2実施形態に係る高温型燃料電池システム)は、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pに応答して、SOFC4の運転を制御するように構成された実施形態である。
吸着貯蔵容器3には圧力センサ5が取り付けられている。
吸着貯蔵容器3とSOFC4とを接続するラインL3には、流量制御装置6が介装されており、流量制御装置6は、図1の第1実施形態の流量調整弁Vfと同様の機能を有する。
SOFC4の運転状態を計測し、SOFC4の運転を直接制御するSOFC計測・制御装置8が、SOFC4に設置されている。
ここで、許容上限値P1は許容上限値であり、例えば、
P1=容器の耐圧Pmax×R%
なる式で表現される。「R(%)」は、例えば、安全率の逆数などを用いるのが好ましい。
ここで、許容下限値P2は許容下限値であり、所定時間で閾値P3になる圧力であり、閾値P3は、安全にSOFC4を停止するのに必要な圧力である。
バイオガス発生量を増加させるためにバイオガス発生装置19の内圧を上げると、バイオガス発生装置19内の細菌や微生物が死滅してしまう恐れがあり、細菌や微生物により生成されるバイオガスが発生しなくなってしまう。係る事態を回避するため、コンプレッサ1により、バイオガス発生装置19で発生したバイオガスを吸入するのである。
図3において、圧力センサ5により吸着貯蔵容器3内の圧力5Pを計測し、計測された吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが許容上限値P1を超えているか否かを判断する(ステップS1)。
出力増加が不可能であれば(ステップS2がNO)、SOFC計測・制御装置8を操作して出力を一定に保ち、それと共に、流量制御装置6を操作して燃料供給量を増加し(ステップS4)、バイオガス(燃料ガス)をSOFC4で消費させて、ステップS1に戻る。
圧力5Pが許容下限値P2未満であれば(ステップS5がYES)、ステップS6に進む。圧力5Pが許容下限値P2以上であれば(ステップS5がNO)、吸着貯蔵容器3内の圧力が許容上限値P1以下で且つ許容下限値P2以上であるので正常な範囲にあると判断する。そして、SOFC計測・制御装置8及び流量制御装置6を操作し、出力及び燃料供給量Fを維持(ステップ7)して、ステップS1以降を繰り返す。
圧力5Pが閾値P3未満であれば(ステップS6がYES)、SOFC計測・制御装置8を操作して、SOFC4を停止させ、吸着貯蔵容器3内の圧力5PがSOFC4を停止するのに必要な圧力P3未満まで降圧した旨を、図示しない警報装置等によって所管部署に通報し(ステップS8)、制御を終了する。
圧力5Pが閾値P3以上であれば(ステップS6がNO)、SOFC計測・制御装置8を操作し、SOFC4の出力を低下させ、流量制御装置6を操作し、燃料供給量Fを減少させて(ステップS9)、ステップS5以下を繰り返す。
図2、図3の第2実施形態の上記以外の構成及び作用効果については、図1の第1実施形態と同様である。
図4において、全体を符号103で示す燃料電池システム(第3実施形態に係る燃料電池システム)は、吸着吸蔵容器3と並列に、ボイラー31を設けている。
図4、図5の第3実施形態では、SOFC4の出力増大が不可能な時に、余分な燃料をボイラー31で燃焼させている。
また、出力の増加に対応する負荷が無い場合には、出力を増大させることは不可能になる。蓄電池の様な電力を貯える設備がある場合や、系統電源との連携がなされている場合は、この限りではない。
それに対して、燃料電池システム103では、SOFC4の出力増大が不可能な時に、過剰分の燃料をラインL2から分岐管Lb側のボイラー31へ供給して、当該過剰分の燃料をボイラー31で燃焼する。
図5において、圧力センサ5により吸着貯蔵容器3内の圧力5Pを計測し、計測された吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが、許容上限値P1を超えているか否かを判断する(ステップS11)。
出力増加が不可能であれば(ステップS12がNO)、開閉弁9を開放して、余剰の燃料ガスを分岐管Lb側のボイラー31へ供給して、ボイラー31で消費させる(ステップS14)。そして、ステップS11に戻る。
圧力5Pが許容下限値P2未満であれば(ステップS16がYES)、ステップS17に進む。
圧力5Pが許容下限値P2以上であれば(ステップS16がNO)、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが適正であると判断して、SOFC計測・制御装置8及び流量制御装置6を操作し、出力及び燃料供給量Fを維持する(ステップS18)。そして、ステップS11に戻る。
圧力5Pが閾値P3未満であれば(ステップS17がYES)、SOFC計測・制御装置8を操作して、SOFC4を停止させ、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが閾値P3未満に降圧した旨を、図示しない警報装置等によって所管部署に通報し(ステップS19)、制御を終了する。
圧力5Pが第3の所定値P3以上であれば(ステップS17がNO)、SOFC計測・制御装置8を操作してSOFC4の出力を低下し、流量制御装置6を操作して燃料供給量Fを減少して(ステップS20)、ステップS16に戻る。
図4、図5の第3実施形態における上記以外の構成及び作用効果は、図2、図3の第2実施形態と同様である。
図6において、全体を符号104で示す燃料電池システム(第4実施形態に係る燃料電池システム)は、吸着貯蔵容器を複数(図示の例では2個:3、32)設けている。
バイパスラインLbには、第2の吸着貯蔵容器32が介装されている。第2の吸着貯蔵容器32には圧力センサ10が取り付けられている。圧力センサ10は、入力信号ラインSiによってコントロールユニット7と接続され、容器32内の圧力情報をコントロールユニット7へ発信する。
ラインL3において、合流点Gと吸着貯蔵容器3との間の領域には、開閉弁12が介装されている。
ラインL2において、分岐点Bと吸着貯蔵容器3との間の領域には、開閉弁13が介装されている。
これ等の開閉弁9、11、12、13は、図6において点線で示す信号伝達ラインによりコントロールユニット7と接続され、コントロールユニット7からの開閉制御信号を受信する。
SOFC4の出力増大が不可能な場合は、圧力センサ10で第2の吸着貯蔵容器32の圧力10Pを検知し、第2の吸着貯蔵容器32内の圧力10Pが許容上限値P1よりも高圧であるか否かを判断する。第2の吸着貯蔵容器32内の圧力10Pが許容上限値P1よりも高圧であれば、SOFC4の出力を一定のまま、SOFC4への燃料供給量を増加する。
その結果、メンテナンスを容易にすることで運転稼働率も向上させている。
図7において、圧力センサ5により吸着貯蔵容器3内の圧力5Pを計測し、計測された吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが、許容上限値P1を超えているか否かを判断する(ステップS21)。
圧力5Pが許容上限値P1以下であれば(ステップS21がNO)、ステップS29に進む。
出力増加が不可能であれば(ステップS22がNO)、第2の吸着貯蔵容器32の内圧10Pが許容上限値P1を超えているか否かを判断する(ステップS24)。
第2の吸着貯蔵容器32の内圧10Pが許容上限値P1以下であれば(ステップS24がNO)、ステップS26に進む。
そして、第2の吸着貯蔵容器32の内圧10Pが閾値P3(所定時間で安全にSOFC4を停止するのに必要な圧力)を超えているか否かを判断する(ステップS27)。
ステップS28では、開閉弁13及び開閉弁12を開放し、開閉弁9及び開閉弁11を閉じることによって、燃料ガス(バイオガス)を再び吸着貯蔵容器3側で吸着して貯蔵する。そして、ステップS21に戻る。
吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが許容下限値P2未満であれば(ステップS29がYES)、ステップS30に進む。
吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが許容下限値P2以上であれば(ステップS29がNO)、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが許容上限値P1以下で且つ許容下限値P2以上であるので、正常な範囲にあると判断する。そして、SOFC計測・制御装置8及び流量制御装置6を操作し、SOFC4の出力及び燃料供給量Fを維持(ステップS31)して、ステップS21に戻る。
吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが閾値P3未満であれば(ステップS30がYES)、SOFC計測・制御装置8を操作して、SOFC4を停止させ、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが閾値P3未満となった旨を、図示しない警報装置等によって所管部署に通報し(ステップS32)、制御を終了する。
吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが閾値P3以上であれば(ステップS30がNO)、SOFC計測・制御装置8を操作してSOFC4の出力を低下し、流量制御装置6を操作して燃料供給量Fを減少し(ステップS33)、ステップS29に戻る。
図6、図7の第4実施形態における上記以外の構成及び作用効果は、図2、図3の第2実施形態と同様である。
図8において、全体を符号105で示す燃料電池システム(第5実施形態に係る燃料電池システム)は、図8に示すように、吸着貯蔵器を複数(図示の例では2個:3、32)設けていると共に、バイオガスを燃焼するボイラー31も設けている。すなわち、図8、図9を参照して第5実施形態は、図4、図5の第3実施形態と、図6、図7の第4実施形態との組合せに相当する。
先ず、圧力センサ5で、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pを計測し、計測された吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが、許容上限値P1を超えているか否かを判断する(ステップS41)。
吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが許容上限値P1を超えていれば(ステップS41がYES)、ステップS42に進む。圧力5Pが許容上限値P1以下であれば(ステップS41がNO)、ステップS49に進む。
SOFC4の出力増加が不可能であれば(ステップS42がNO)、第2の吸着貯蔵容器32内の圧力10Pが許容上限値P1を超えているか否かを判断する(ステップS44)。第2の吸着貯蔵容器32の内圧10Pが許容上限値P1を超えていれば(ステップS44がYES)、ステップS45に進む。第2の吸着貯蔵容器32の内圧10Pが許容上限値P1を超えていなければ(ステップS44がNO)、ステップS46に進む。
そのため、開閉弁14を閉じ、燃料ガスをボイラー31へ供給するのを遮断する。そして、開閉弁12、13を閉鎖して、開閉弁9及び開閉弁11を開放することによって、燃料ガス(バイオガス)を第2の吸着貯蔵容器32で吸着貯蔵する(ステップS46)。
ステップS46において、第2の吸着貯蔵器32の使用時には、他方の吸着貯蔵器3を交換して、修理等をすることが可能となる。すなわち、吸着貯蔵容器が二つあるので、片方が故障或いは破損した場合でも、燃料電池システムの運転を続行したままで、吸着貯蔵容器を取り変えることができる。
第2の吸着貯蔵容器32の内圧10Pが閾値P3未満であれば(ステップS47がYES)、ステップS48に進む。第2の吸着貯蔵容器32の内圧10Pが閾値P3未満でなければ(ステップS47がNO)、ステップS46に戻る。
ステップS49(吸着貯蔵容器3の内圧5Pが許容上限値P1以下の場合)では、吸着貯蔵容器3の内圧5Pが許容下限値P2未満であるか否かを判断する。
圧力5Pが許容下限値P2未満であれば(ステップS49がYES)、ステップS50に進む。
圧力5Pが許容下限値P2以上であれば(ステップS49がNO)、吸着貯蔵容器3の内圧5Pが許容上限値P1以下で許容下限値P2以上であるので、正常な圧力範囲であると判断する。そして、SOFC計測・制御装置8及び流量制御装置6を操作し、出力及び燃料供給量Fを維持(ステップS51)して、ステップS41に戻る。
吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが閾値P3未満であれば(ステップS50がYES)、SOFC計測・制御装置8を操作して、SOFC4を停止させ、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが閾値P3未満まで降圧した旨を、図示しない警報装置等によって所管部署に通報して(ステップS52)、制御を終了する。
図8、図9の第5実施形態における上記以外の構成及び作用効果は、図2、図3の第2実施形態及び図6、図7の第4実施形態と同様である。
図10において、全体を符号106で示す燃料電池システム(第6実施形態に係る燃料電池システム)は、吸着バイオガスの供給に、例えばバイオガス流量が閾値Fsよりも減少する等の不都合が生じた場合に、供給するべき燃料ガスの流量F6を流量制御装置(流量制御弁)6により検出し、あらかじめ燃料ガスを蓄えてあるタンク(予備タンク)15から別の配管L15を介して、燃料ガスをSOFC4に供給して、SOFC4を安全に停止させる様に構成されている。
ラインL15には流量調節弁Vkが介装されている。流量調節弁Vkは、予備タンク15からの燃料ガス流量が一定となるように調節可能に構成されている。
逆止弁Vcは、予備タンク15から燃料ガスを供給する際に、供給された燃料ガスがSOFC4から供給系統(流量制御装置6側)に逆流しないように設けられている。
図11において、流量制御装置6からの入力信号に基いて、SOFC4への燃料ガス供給量F6が、閾値Fs未満であるか否か、或いは、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが許容下限値P2よりも低圧か否かを判断する(ステップS61)
燃料供給量F6が閾値Fs未満でなく、吸着貯蔵容器3内の圧力5Pが許容下限値P2未満でなければ、ステップS61を繰り返す(ステップS61がNOのループ)。
図10、図11の第6実施形態の燃料電池システム106における上記以外の構成及び作用効果は、図2、図3の第2実施形態と同様である。
図10では、予備タンク15から燃料を供給している。しかし、図12で示す様に、予備タンクを設ける代わりに、都市ガスの配管からSOFC4に燃料ガスを供給しても良い。
図12において、都市ガスの配管(本管)Lcから、分岐管Lbcを分岐させ、その分岐管LbcをSOFC4に接続させている。分岐管Lbcには、流量調整弁Vmが介装されている。流量調整弁Vmはコントロールユニット7と制御信号ラインSop2で接続され、分岐管Lbcを流れる都市ガスの流量が制御されている。
図12の変形例のその他の構成及び作用効果は、図10の第6実施形態と同様である。
なお、図12では示されていないが、吸着貯蔵容器3とSOFC4との間の領域に分岐管Lbcを連通させることも可能である。
図13において、全体を符号107で示す燃料電池システム(第7実施形態に係る燃料電池システム)では、バイオガス発生装置19内がコンプレッサ1によって負圧になった場合に、その旨を圧力センサ16で検知する。そして、バイオガス発生装置19内がコンプレッサ1によって負圧になった旨の信号が、圧力センサ16より、信号ラインSi2を介してコントロールユニット7に伝達される。係る信号を受信したコントロールユニット7は、信号ラインSop3を介してコンプレッサ1に対して停止信号を出力する。これにより、コンプレッサ1は停止する。
ここで、圧力センサ16は、バイオガス発生装置19の内部圧力を計測する。
コンプレッサ1を停止させるのは、発酵液がコンプレッサ1内に浸入してコンプレッサ1が破壊されてしまう事態を防止するためである。
コンプレッサ1は、制御信号ラインSop3によって接続されている。コントロールユニット7により、コンプレッサ1の起動・停止を制御出来る様にするためである。
先ず、圧力センサ16により、バイオガス発生装置19内の圧力P16を計測し、計測された内圧P16が負圧であるか否かを判断する(ステップS71)。
バイオガス発生装置19の内圧P16が負圧でなければ(ステップS71がNO)、バイオガス発生装置19内の発酵液が浸入してコンプレッサ1が破壊される恐れは無いと判断して、コンプレッサ1の運転を続行する(ステップS73)。
図13、図14の第7実施形態における上記以外の構成及び作用効果は、図2、図3の第2実施形態と同様である。
図15、図16は、第8実施形態の基本的な形態を説明している。
図15において、全体を符号108で示す燃料電池システム(第8実施形態に係る燃料電池システム)は、SOFC4の出力電圧の異常を検知し、出力電圧に異常があればSOFCを停止するように構成されている。
上述のように構成された第8実施形態の燃料電池システム108では、先ず、SOFC4の出力電圧における異常の有無を判断し、出力電圧に異常がある場合、例えば、計測された出力電圧V及び出力電流により決定される閾値V1よりも出力電圧Vが低圧であれば、SOFC4を停止する。
SOFC4の温度Tに異常がある場合には、SOFC4の出力、燃料ガス供給量(図16では符号「F」で示す)を調節することで、当該温度Tの異常を低減させる。すなわち、温度が高い場合には出力を減少させると共に燃料供給量を低減させ、温度が低い場合には出力及び/又は燃料供給量を増加する。
ここで、「出力及び/又は燃料供給量を増加する」という文言は、SOFC4の発電出力及びSOFC4への燃料供給量を共に増加させること、SOFC4への燃料供給量を変化させずにSOFC4の発電出力を増加させること、SOFC4の発電出力を変化させずにSOFC4への燃料供給量を増加させることを包含する、という意味で用いられている。
出力を調節しても温度Tが正常に戻らなければ、SOFCを停止させる。
図16において、コントロールユニット7は、SOFC計測・制御装置8からの情報によって出力電圧Vが閾値V1未満であるか否かを判断する(ステップS81)。ここで、閾値V1は、SOFC計測・制御装置8で計測された出力電圧V及び出力電流により決定される電圧値である。
出力電圧Vが閾値V1以上である場合(ステップS81がNO)は、ステップS82に進み、SOFC4の温度Tが適正範囲に入っているか否かを判断する。
SOFC4の温度Tが適正範囲内でなければ(ステップS82がNO)、ステップS83に進み、SOFC4の温度Tが許容最低温度Tminを下回っているのか(T<Tmin)、許容最高温度Tmaxを超えているか(T>Tmax)を判断する。
燃料供給量F及び/又は出力を増加させることにより、SOFC4の温度Tが昇温していれば(ステップS85がYES)、特に問題は無いと判断して、ステップS81に戻る。
燃料供給量F及び/又はSOFC4の出力を増加しても、SOFC4の温度Tが昇温しなければ(ステップS85がNO)、SOFC4が故障したと判断し、SOFC4を停止する(ステップS88)。
燃料供給量Fを減少して、出力を減少することにより、SOFC4の温度Tが降温していれば(ステップS87がYES)、SOFC4には問題がないと判断して、ステップS81に戻る。
燃料供給量Fを減少し、出力を減少しても、SOFC4の温度Tが降温しない場合には(ステップS87がNO)、SOFC4が故障したと判断して、SOFC4を停止する(ステップS88)。
図15の第8実施形態における上記以外の構成及び作用効果は、図2、図3の第2実施形態と同様である。
図15、図16の基本的な形態では、SOFC4の出力、燃料ガス供給量を調節して、SOFC4の温度Tに異常がある場合に対応している。それに対して、図17、図18の第1変形例では、SOFC4の温度Tに異常がある場合には、空気供給量を調節して対応している。
流量調整弁52は、制御信号ラインSo5によりコントロールユニット7からの流量制御信号を受信して、SOFC4へ供給される空気量を制御している。
図18で示す様に、第1変形例の制御は、図16で示す基本的な形態における制御と概略同様である。
ここで、基本的な形態における制御では、ステップS84では燃料供給量F及び/又は出力を増加させ、ステップS86では燃料供給量F及び出力を減少している。
図17、図18の第1変形例におけるその他の構成及び作用効果については、図15、図16で説明したのと同様である。
第2変形例をブロック図で表現した場合には、第1変形例を示す図17と同様となるので、第2変形例のブロック図は省略している。
第2変形例では、SOFC4の出力及び/又は燃料ガス供給量Fを調節すると共に、空気供給量をも調節して、SOFC4の温度Tに異常がある場合に対応している。
一方、ステップS86B(図16のステップS86に対応するステップ)では、燃料供給量F及び/又は出力を減少させると共に、SOFC4への空気供給量を増加している。「燃料供給量F及び/又は出力を減少させる」という文言の内容についても、図16に関連して説明したのと同様である。
図19の第2変形例におけるその他の構成及び作用効果については、図15〜図18で説明したのと同様である。
図20において、全体を符号109で示す燃料電池システム(第9実施形態に係る燃料電池システム)は、SOFC4の排熱を利用して、バイオガス発生器(醗酵槽)19の残渣を乾燥処理している。
図20において、燃料電池システム109は、バイオガス発生器(醗酵槽)19の近傍に、残渣受け装置17を設けている。また、SOFC4の排熱ラインLhに分岐点Bhを設け、分岐点Bhから分岐ラインLhbを分岐させている。分岐ラインLhbは残渣受け装置17内を通過しており、分岐ラインLhb内を流れる高温の排熱が残渣受け装置17内へ投入される。
なお、乾燥した残渣は、例えば、肥料として利用できる。
図20の第9実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図1〜図19の各実施形態と同様である。
図21において、全体を符号110で示す燃料電池システム(第10実施形態に係る燃料電池システム)は、バイオガス発生器(醗酵槽)19に圧力センサ16を設け、コントロールユニット7と、メンテナンス会社20、ガス供給側(ガス供給会社)30、SOFCシステムのオペレータ側40とを通信ラインLtで接続している。
図21において、圧力センサ16とコントロールユニット7とは、入力信号ラインSi2で接続されている。
図21の第10実施形態は、図示された何れの実施形態とも組み合わせることが可能である。
図22において、全体を符号111で示す燃料電池システム(第11実施形態に係る燃料電池システム)は、バイオガスと、都市ガスとの混合を可能に構成したシステムである。
流量制御装置22は、制御信号ラインSo2によりコントロールユニット7と接続され、コントロールユニット7の指令によって、分岐管Lbcを流れる都市ガス流量が制御されることが望ましい。
ここで、流量制御装置6及び22に都市ガス及びバイオガスが逆流しない様にするため、ラインL3における流量制御装置6の直下(SOFC4側)の位置と、分岐管Lbcにおける流量制御装置22の直下(SOFC4側)の位置には、逆止弁Vcが介装されている。
図22の第11実施形態は、図12で示す実施形態と組み合わせて実施することが可能である。
図22の第11実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図1〜図21の各実施形態と同様である。
図23において、全体を符号112で示す燃料電池システム(第12実施形態に係る燃料電池システム)は、SOFC4の内部に改質触媒45を設け、高濃度のCO2を酸化剤として利用することが出来るように構成されている。
前述した様に、バイオガスは約40%という高濃度のCO2を組成として含むので、これを利用することが出来、好都合である。
図23の第12実施形態は、図示の実施形態の何れとも組み合わせることが可能である。
この実施形態では、SOFC4の高温排熱を吸着貯蔵容器3に伝達して、吸着貯蔵容器3内の吸着材から燃料ガスが脱着されるのを促進している。
図24において、排熱ラインLhはSOFC4の高温排熱を、熱交換器3Exを介して吸着貯蔵容器3内の吸着材(図21では図示せず)に伝達している。
図24の第13実施形態は、図示の実施形態の何れとも組み合わせることが可能である。
例えば、図示の実施形態では、高温型燃料電池として、固体酸化物型燃料電池(SOFC)を用いているが、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)を用いても良い。
また、図示の実施形態を組み合わせることも可能である。
2・・・除湿微量成分除去装置
3・・・吸着貯蔵容器
4・・・SOFC/固体酸化物型燃料電池
5・・・圧力センサ
6・・・流量制御装置
7・・・制御手段/コントロールユニット
8・・・SOFC計測・制御装置
9・・・開閉弁
10・・・圧力センサ
11〜14・・・開閉弁
15・・・予備タンク
16・・・圧力センサ
17・・・残渣受け装置
18・・・温度センサ
19・・・バイオガス発生装置/醗酵槽
Claims (16)
- 高温型燃料電池と、バイオマスからバイオガスを発生するバイオガス発生装置と、バイオガス発生装置で発生したバイオガスを高温型燃料電池へ供給する供給系統とを有しており、バイオガスを吸着して貯蔵する吸着貯蔵装置と、吸着貯蔵装置にバイオガスを加圧して供給する圧縮装置とを、供給系統に介装したことを特徴とする高温型燃料電池システム。
- 吸着貯蔵装置内の圧力を計測する第1の圧力計測装置と、制御装置とを有しており、制御装置は、吸着貯蔵装置内の圧力が許容上限値よりも高圧の場合には高温型燃料電池の発電出力或いは燃料消費量を増大させ、吸着貯蔵装置内の圧力が許容下限値よりも低圧の場合には高温型燃料電池の発電出力及び/又は燃料消費量を減少させ、吸着貯蔵装置内の圧力が閾値よりも低圧の場合には高温型燃料電池の運転を停止させる制御を行う様に構成されている請求項1の高温型燃料電池システム。
- バイオガスを燃焼する燃焼装置を有し、燃焼装置は吸着貯蔵装置と並列に供給系統に介装されており、制御装置は、吸着貯蔵装置内の圧力が許容上限値よりも高圧で且つ高温型燃料電池の発電出力を増大させることが出来ない場合に、バイオガスを燃焼装置に供給する制御を行う様に構成されている請求項2の高温型燃料電池システム。
- 吸着貯蔵装置を複数設け、制御装置は、吸着貯蔵装置内の圧力が許容上限値よりも高圧であれば高温型燃料電池の発電出力を増大し、高温型燃料電池の発電出力が増大出来ず且つ他の吸着貯蔵装置内の圧力が許容上限値よりも低圧の場合にはバイオガス発生装置で発生したバイオガスを当該他の吸着貯蔵装置へ供給する制御を行う様に構成されている請求項2の高温型燃料電池システム。
- 燃料ガス供給源及び供給系統を別途設け、供給系統にはバイオガス流量を計測する流量計測装置が介装されており、制御装置は、供給系統におけるバイオガス流量が閾値よりも減少した場合や、吸着貯蔵装置内の圧力が許容下限値よりも低圧の場合には、別途設けた燃料ガス供給源から別途設けた供給系統を介して燃料ガスを高温型燃料電池へ供給する制御を行う様に構成されている請求項2の高温型燃料電池システム。
- バイオガス発生装置内の圧力を計測する第3の圧力計測装置を設け、制御装置は、バイオガス発生装置内の圧力が負圧になった場合には圧縮装置を停止させる制御を行う様に構成されている請求項2の高温型燃料電池システム。
- 高温型燃料電池の出力電圧を計測する電圧計測装置と、高温型燃料電池の出力電流を計測する電流計測装置と、高温型燃料電池の作動温度を計測する温度計測装置とを備えており、制御装置は、計測された出力電圧及び出力電流により決定される閾値よりも高温型燃料電池の出力電圧が低下した場合には高温型燃料電池を停止させ、高温型燃料電池の出力電圧が前記閾値以上である場合には、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも高温であれば高温型燃料電池の発電出力を低減させると共に燃料供給量を低減させ、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも低温であれば高温型燃料電池の発電出力及び/又は高温型燃料電池への燃料供給量を増加させる制御を行う様に構成されている請求項2の高温型燃料電池システム。
- 高温型燃料電池の出力電圧を計測する電圧計測装置と、高温型燃料電池の出力電流を計測する電流計測装置と、高温型燃料電池の作動温度を計測する温度計測装置とを備えており、制御装置は、計測された出力電圧及び出力電流により決定される閾値よりも高温型燃料電池の出力電圧が低下した場合には高温型燃料電池を停止させ、高温型燃料電池の出力電圧が前記閾値以上である場合には、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも高温であれば高温型燃料電池に供給される空気量を増加し、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも低温であれば高温型燃料電池に供給される空気量を減少する制御を行う様に構成されている請求項2、7の何れかの高温型燃料電池システム。
- 請求項2の高温型燃料電池システムの制御方法において、第1の圧力計測装置により吸着貯蔵装置内の圧力を計測し、吸着貯蔵装置内の圧力が許容上限値よりも高圧の場合には高温型燃料電池の発電出力或いは燃料消費量を増大させ、吸着貯蔵装置内の圧力が許容下限値よりも低圧の場合には高温型燃料電池の発電出力及び/又は燃料消費量を減少させ、吸着貯蔵装置内の圧力が閾値よりも低圧の場合には高温型燃料電池の運転を停止させることを特徴とする高温型燃料電池システムの制御方法。
- 請求項3の高温型燃料電池システムの制御方法において、第1の圧力計測装置により吸着貯蔵装置内の圧力を計測し、吸着貯蔵装置内の圧力が許容上限値よりも高圧で且つ高温型燃料電池の発電出力を増大させることが出来ない場合に、バイオガスを燃焼装置に供給して燃焼することを特徴とする高温型燃料電池システムの制御方法。
- 請求項4の高温型燃料電池システムの制御方法において、第1の圧力計測装置により吸着貯蔵装置内の圧力を計測し、吸着貯蔵装置内の圧力が許容上限値よりも高圧であれば高温型燃料電池の発電出力が増加できるか否かを判断し、増加できる場合には高温型燃料電池の発電出力を増大し、高温型燃料電池の発電出力が増大出来なければ他の吸着貯蔵装置内の圧力を計測し、当該他の吸着貯蔵装置内の圧力が許容上限値よりも低圧の場合にはバイオガス発生装置で発生したバイオガスを当該他の吸着貯蔵装置へ供給することを特徴とする高温型燃料電池システムの制御方法。
- 請求項5の高温型燃料電池システムの制御方法において、流量計測装置により供給系統におけるバイオガス流量を計測し、供給系統におけるバイオガス流量が閾値よりも減少した場合や、吸着貯蔵装置内の圧力が許容下限よりも低圧の場合には、別途設けた燃料ガス供給源から別途設けた供給系統を介して燃料ガスを高温型燃料電池へ供給することを特徴とする高温型燃料電池システムの制御方法。
- 請求項6の高温型燃料電池システムの制御方法において、第3の圧力計測装置によりバイオガス発生装置内の圧力を計測し、バイオガス発生装置内の圧力が負圧になった場合には圧縮装置を停止させることを特徴とする高温型燃料電池システムの制御方法。
- 請求項7の高温型燃料電池システムの制御方法において、電圧計測装置により高温型燃料電池の出力電圧を計測し、計測された出力電圧及び出力電流により決定される閾値よりも高温型燃料電池の出力電圧が低下した場合には高温型燃料電池を停止させ、高温型燃料電池の出力電圧が前記閾値以上である場合には温度計測装置により高温型燃料電池の作動温度を計測し、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも高温であれば高温型燃料電池の発電出力を低減させると共に燃料供給量を低減させ、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも低温であれば高温型燃料電池の発電出力及び/又は高温型燃料電池への燃料供給量を増加させることを特徴とする高温型燃料電池システムの制御方法。
- 請求項8の高温型燃料電池システムの制御方法において、電圧計測装置により高温型燃料電池の出力電圧を計測し、計測された出力電圧及び出力電流により決定される閾値よりも高温型燃料電池の出力電圧が低下した場合には高温型燃料電池を停止させ、高温型燃料電池の出力電圧が前記閾値以上である場合には温度計測装置により高温型燃料電池の作動温度を計測し、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも高温であれば高温型燃料電池に供給される空気量を増加し、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも低温であれば高温型燃料電池に供給される空気量を減少することを特徴とする高温型燃料電池システムの制御方法。
- 請求項8の高温型燃料電池システムの制御方法において、電圧計測装置により高温型燃料電池の出力電圧を計測し、計測された出力電圧及び出力電流により決定される閾値よりも高温型燃料電池の出力電圧が低下した場合には高温型燃料電池を停止させ、高温型燃料電池の出力電圧が前記閾値以上である場合には温度計測装置により高温型燃料電池の作動温度を計測し、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも高温であれば温型燃料電池の発電出力を低減させ且つ燃料供給量を低減させると共に、高温型燃料電池に供給される空気量を増加し、高温型燃料電池の作動温度が所定範囲よりも低温であれば高温型燃料電池の発電出力及び/又は高温型燃料電池への燃料供給量を増加させると共に、高温型燃料電池に供給される空気量を減少することを特徴とする高温型燃料電池システムの制御方法。
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