JP4696203B2

JP4696203B2 - バイオガスプラントの制御装置およびバイオガスプラントの制御方法

Info

Publication number: JP4696203B2
Application number: JP2005094970A
Authority: JP
Inventors: 收田島; 雅敏上田; 雅美白石; 勝利渋谷; 信相良; 克巳横本; 泰彦鈴木
Original assignee: Shimizu Corp; Eneos Celltech Co Ltd
Current assignee: Shimizu Corp; Eneos Celltech Co Ltd
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2006272160A

Description

本発明は、バイオガスプラントの制御装置およびバイオガスプラントの制御方法に関するものであり、さらに詳しくは下水汚泥、有機性排水、厨芥類などの食品残渣および糞尿などの従来は廃棄されていた有機性廃棄物をメタン発酵させて消化ガスを発生させ、この消化ガス中の不純物を取り除いたり、消化ガス中のメタン濃度を濃縮して得られるメタンガスを主成分とする製品ガスを改質して、水素を主成分とする改質ガスを得て、この改質ガスと空気などの酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池装置を備えたバイオガスプラントの制御装置およびバイオガスプラントの制御方法に関するものである。

近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系化石燃料ガス中に含まれる硫黄を除去する脱硫器と、化石燃料ガスを水蒸気と反応させて水素に改質する改質器（ＲＦ）と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器（ＳＨ）と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（ＰＲＯＸ）と、このようにして得られた水素（改質ガス）と空気中の酸素などの酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池とを備えた小型電源としての燃料電池発電装置が提案されている（例えば特許文献１、２、３参照）。

燃料極（ＡＮ）に水素を含む燃料ガス、空気極（ＣＡ）に空気を供給すると、燃料極では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により発電が行われる。

一方、環境保護または資源再利用の観点から、下水汚泥、有機性排水、厨芥類などの食品残渣および糞尿などの従来廃棄されていた有機性廃棄物を嫌気性細菌を利用してメタン発酵してメタンを含む消化ガスを発生させ、このメタンを含む消化ガスを前記炭化水素系化石燃料ガスの替わりに使用して燃料電池発電装置に供給して発電することが提案されている（例えば特許文献４、５参照）。
特開２００３−２１７６２０号公報特開２００３−２１７６２３号公報特開２０００−２７７１３７号公報特開２００１−２３６７７号公報特開２００３−８６２２７号公報

しかし、有機性廃棄物をメタン発酵して得られる消化ガス中には、有機性廃棄物の種類やメタン発酵条件などによって異なるが、一般に主成分としてメタンが６０〜７０％含まれる他、二酸化炭素が３０〜４０％、水素が０〜２％、窒素が０〜２％、微量成分として硫化水素及び塩化水素などが含まれているので、精製したり、必要に応じてメタン濃度を上げる必要がある上、例えば図３に示すように有機性廃棄物を発酵槽に供給した当初は多量の消化ガスが発生するが、その後減少するなど消化ガス発生量が１日の中で時間的に変動する。一方、燃料電池装置は一定の出力で発電するため、常に一定量のメタンガスを消費する。このため発生ガス量と消費メタン量とのバランスがこわれ、安定して発電を継続できず、長時間の連続発電運転ができないという問題があった。

本発明の第１の目的は、消化ガス発生量が時間的に変動しても、燃料電池装置において一定の出力での発電を安定して継続でき、長時間の連続運転を可能にしたバイオガスプラントの制御装置を提供することであり、
本発明の第２の目的は、そのようなバイオガスプラントの制御装置を用いてバイオガスプラントを制御する方法を提供することである。

上記課題を解消するための本発明の請求項１に記載の発明は、有機性廃棄物を蓄える原料槽と、この原料槽から有機性廃棄物を定期的に受け入れてメタン発酵させる発酵槽と、この発酵槽で発生した消化ガスを貯蔵する消化ガス貯蔵装置と、この消化ガス貯蔵装置から供給される消化ガス中の不純物を取り除く精製装置および消化ガス中のメタン濃度を濃縮する濃縮装置と、またはこの消化ガス貯蔵装置から供給される消化ガス中の不純物を取り除く精製装置と、精製・濃縮されたメタンガスを主成分とする製品ガスを貯蔵する製品ガス貯槽と、この製品ガス貯槽から供給されるメタンガスを主成分とする製品ガスを改質して得られる水素と酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池装置とを順次ラインで連結して構成されるバイオガスプラントの制御装置であって、
前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスの圧力を検出する消化ガス圧力検出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力が上限値以上になった場合に前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスを系外に排出する消化ガス排出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段１を備えるとともに、
前記製品ガス貯槽内の製品ガスの圧力を検出する製品ガス圧力検出手段、および前記製品ガス貯槽への製品ガスの供給ラインに設置されて前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力が上限値以上になった場合に前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するか系外に排出する製品ガス停止・排出手段、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段２、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記燃料電池装置の出力を増減するかあるいは停止・起動する制御手段を備えたことを特徴とするバイオガスプラントの制御装置である。

上記課題を解消するための本発明の請求項２に記載の発明は、有機性廃棄物を蓄える原料槽と、この原料槽から有機性廃棄物を定期的に受け入れてメタン発酵させる発酵槽と、この発酵槽で発生した消化ガスを貯蔵する消化ガス貯蔵装置と、この消化ガス貯蔵装置から供給される消化ガス中の不純物を取り除く精製装置および消化ガス中のメタン濃度を濃縮する濃縮装置と、またはこの消化ガス貯蔵装置から供給される消化ガス中の不純物を取り除く精製装置と、精製・濃縮されたメタンガスを主成分とする製品ガスを貯蔵する製品ガス貯槽と、この製品ガス貯槽から供給されるメタンガスを主成分とする製品ガスを改質して得られる水素と酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池装置とを順次ラインで連結して構成されるバイオガスプラントであって、
前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスの圧力を検出する消化ガス圧力検出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスを系外に排出する消化ガス排出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段１を備えるとともに、
前記製品ガス貯槽内の製品ガスの圧力を検出する製品ガス圧力検出手段、および前記製品ガス貯槽への製品ガスの供給ラインに設置されて前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するか系外に排出する製品ガス停止・排出手段、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段２、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記燃料電池装置の出力を増減するかあるいは停止・起動する制御手段を備えたバイオガスプラントの制御方法において、
（１）前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力を予め設定した上限値、中間値、下限値と照合して、
（２）上限値以上になった場合は前記消化ガス排出手段を作動して前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスを系外に排出し、
（３）中間値になった場合は前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスの前記排出手段による系外への排出を停止し、
（３）そして下限値以下になった場合は前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動手段１を作動して停止し、
（４）そして再度中間値に戻った場合は前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動手段１により起動するとともに、
（５）前記製品ガス検出手段で検出した圧力を予め設定した上限値、中間値、下限値と照合して、
（６）上限値以上になった場合は前記製品ガス停止・排出手段を作動して前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するとともに系外に排出するか、あるいは
（７）上限値以上になった場合は前記製品ガス停止・排出手段を作動して前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するとともに前記停止・起動手段２を作動して前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止し、
（８）中間値になった場合は前記製品ガス停止・排出手段による製品ガスの系外への排出を停止し、あるいはさらに前記停止・起動手段２を作動して前記精製装置および濃縮装置または精製装置を起動し、あるいはさらに前記燃料電池装置の出力を制御手段により低減させ、
（９）そして下限値以下になった場合は前記燃料電池装置の出力を前記制御手段により停止させる
ように制御する工程を含むことを特徴とするバイオガスプラントの制御方法である。

本発明の請求項１に記載のバイオガスプラントの制御装置は、
前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスの圧力を検出する消化ガス圧力検出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力が上限値以上になった場合に前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスを系外に排出する消化ガス排出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段１を備えるとともに、
前記製品ガス貯槽内の製品ガスの圧力を検出する製品ガス圧力検出手段、および前記製品ガス貯槽への製品ガスの供給ラインに設置されて前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力が上限値以上になった場合に前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するか系外に排出する製品ガス停止・排出手段、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段２、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記燃料電池装置の出力を増減するかあるいは停止・起動する制御手段を備えたので、消化ガス発生量が時間的に変動しても、燃料電池装置において一定の出力での発電を安定して長時間継続できる上、消化ガス発生量の変動を吸収するほどに大きな容量を必要とせず経済的であるという顕著な効果を奏する。

本発明の請求項２に記載のバイオガスプラントの制御方法を用いて、バイオガスプラントを制御することにより消化ガス発生量が時間的に変動しても、燃料電池装置において一定の出力での発電を安定して長時間継続できるという顕著な効果を奏する。

次に本発明を図を用いて実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明で用いるバイオガスプラントの１例を模式的に説明する説明図である。
図１に示すように、バイオガスプラント１は、有機性廃棄物（牛糞尿）を蓄える原料槽２と、この原料槽２から有機性廃棄物を定期的に受け入れてメタン発酵させる発酵槽３と、この発酵槽３で発生した消化ガスを貯蔵する消化ガス貯蔵装置４と、この消化ガス貯蔵装置４から供給される消化ガス中の不純物（硫黄成分、アンモニアなど）を取り除く精製装置（脱硫塔および脱アンモニア塔）５および消化ガス中のメタン濃度を濃縮する濃縮装置［圧力スイング吸着（Pressure Swing Adsorption 、ＰＳＡ）］６と、精製・濃縮されたメタンガスを主成分とする製品ガスを貯蔵する製品ガス貯槽７と、この製品ガス貯槽７から供給されるメタンガスを主成分とする製品ガスを、水蒸気と反応させて水素に改質する改質器（ＲＦ）や、得られた改質ガス中の一酸化炭素を変成するＣＯ変成器（ＳＨ）や、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（ＰＲＯＸ）を備えた改質装置８および、このようにして得られた水素ガスと空気とを化学反応させて発電する燃料電池９、これらを制御するための制御装置１０などを備えた燃料電池装置１１を順次ラインａ〜ｆで連結して構成されている。
上記説明においては湿式メタン発酵の例を用いたが、本発明においては乾式メタン発酵を用いることもできる。

このようにメタンガスを主成分とする製品ガスを用いて得られた水素ガスを燃料電池９の燃料極に供給して発電に使用できる他に、ライン１８から取り出して燃料や化学合成原料などに使用することもできる。

１２は外気中の臭気や塵埃などを除去するとともに、空気中に微量含まれる硫化水素、アンモニアなどの不純物を除去する脱臭装置、１３は市水をイオン交換樹脂などで処理して燃料電池９の冷却、電解質膜の加湿、水素ガスや空気の加湿などに使用できるように純水にする水処理装置を示す。

燃料電池装置１１で発電した電力はインバータ１４で交流に変換してバイオガスプラント１に必要な電力として使用することも、電力会社などへ外販することもできる。

１５は発酵槽３におけるメタン発酵を効率よく行うために例えば中温発酵の場合は約３５℃に加熱するためのボイラーであり、灯油および／またはメタンガスを燃料にして加熱できるデュアルフューエルタイプのボイラーが好ましい。ボイラー１５にラインｄから分岐させて設けたラインｊから製品ガス（メタンガス）を所定量供給して用いることができ、またラインｊを後で説明するラインｈ（製品ガスを排出するライン）と接続し、ラインｈから排出された製品ガスをラインｊからボイラー１５に所定量供給して用いることもできる。１６は燃料電池装置１１で得られた湯（例えば６０℃位）を蓄えるための貯湯槽を示し、貯湯槽１６の湯を発酵槽３に送って前記の発酵温度になるように加熱することもできる。

１７は消化ガスから分離された消化液を入れる消化液槽を示し、消化液は液肥としてスラリー散布車などで搬送して牧草地に散布したり、脱水・乾燥するなどして燃料などにすることもできる。

以上のような構成のバイオガスプラント１において、先ず、バイオガスプラント１の原料槽２に牛舎より有機性廃棄物（牛糞尿）を定期的にスラリー散布車などで搬送して入れて粉砕、攪拌するなどして蓄える。この原料槽２から牛糞尿を発酵槽３（例えば、縦型あるいは横型円筒形攪拌機付き、容量２７．ｍ³ 、安全圧力値約３００ｍｍＨ₂ Ｏ）へ１〜２回／日定期的に供給してボイラー１５あるいは貯湯槽１６からの温水で約３５℃に加熱して、嫌気性細菌、すなわち空気が完全にまたは部分的に存在しない状態で生存可能な細菌によってメタン発酵させる。滞留時間は約２５日である。消化ガス（メタン含有量約６０％、Ｈ₂ Ｓ含有量約３０００ｐｐｍ）の発生量は約１９〜３８ｍ³ ／日である。発酵槽３で発生した消化ガスをラインａを経て消化ガス貯蔵装置４に貯蔵する。

消化ガス貯蔵装置４の具体例としては、例えば、消化ガスの圧力が高くなると大きく膨らみ、圧力が低下すると小さく萎むガス不透過性のゴム製袋状物（例えば容量５ｍ³ ）を円筒状密閉容器内に収容した形態の消化ガス貯蔵装置の例を挙げることができる。このタイプの消化ガス貯蔵装置であると、ゴム製袋状物の膨らみ具合を例えば、ゴム製袋状物の高さを測定することによって消化ガス貯蔵装置４内の消化ガスの圧力（例えば数ｍｍＨ₂ Ｏ〜３００ｍｍＨ₂ Ｏ程度の低圧力）を容易に検出することができる。

そして消化ガス貯蔵装置４から消化ガスをラインｂを経て精製装置［脱硫塔（例えば酸化鉄系脱硫剤を用いＨ₂ Ｓ０．２ｐｐｍ以下とする）で脱硫し、次いでラインｃを経て脱アンモニア塔（例えば、硫化鉄系吸着剤を用い０．５ｐｐｍ以下とする）］５へ移送して、消化ガス中の不純物（硫黄成分、アンモニアなど４を取り除く。

不純物を取り除いた後、ラインｄを経て濃縮装置［分子篩炭による圧力スイング吸着、ＰＳＡ］６へ移送して濃縮してメタン含有量約９９％以上とする。
なお、濃縮装置６での濃縮はメタン含有量９９％以上に限定するものではなくメタン含有量は任意に設定できる。
さらに濃縮装置６を省略して精製装置５だけにすることもできる。

精製・濃縮されたメタンガスを主成分とする製品ガスはラインｅを経て製品ガス貯槽７（例えば容量３１０リットル）へ移送して貯える。

この製品ガス貯槽７からメタンガスを主成分とする製品ガスをラインｆを経て燃料電池装置１１へ移送して、メタン１ｍｏｌに対して２．５倍から３．５倍の水蒸気を添加して、水蒸気と反応させて水素に改質する改質器（ＲＦ）（例えば温度約７００℃、圧力１．５〜２ｋＰａ）や、得られた改質ガス中の一酸化炭素を変成するＣＯ変成器（ＳＨ）や、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（ＰＲＯＸ）を備えた改質装置８で改質して水素ガスを得て、この水素ガスを燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）９へ供給し、一方、脱臭装置１２を経た空気を燃料電池９へ供給し、水素ガスと空気とを燃料電池９で化学反応させて発電する。燃料電池装置１１で発電した電力はインバータ１４で交流に変換してバイオガスプラント１に必要な電力として使用したり、電力会社などへ外販する。

図２は、本発明のバイオガスプラントの制御装置および制御方法の１例を模式的に説明する説明図である。
図２において、図１に記載した符号と同じ符号で記載したものは、図１と同じものを示すので説明を省略する。

図２において１８は原料槽２から牛糞尿を発酵槽３へ移送するためのポンプを示し、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３はそれぞれラインａ、ｄ、ｆに設けた流量計、１９は発酵槽３に設置した安全弁を示し、発酵槽３内の圧力が予め設定した圧力値を超えると外部に消化ガスを放出して圧力を低減させ、前記圧力値未満になると放出を停止させる。２１はラインｂに設けた逆止弁を示す。

図１に示した規模のバイオガスプラント１においては、流量計Ｆ１で測定される流量の例として０．７６ｍ³ ／ｈ、流量計Ｆ２で測定される流量の例として０．２７５ｍ³ ／ｈを挙げることができる。
安全弁１９を作動させる圧力の例としては３００ｍｍＨ₂ Ｏを挙げることができる。

２２は、消化ガス貯蔵装置４内の消化ガスの圧力を検出する消化ガス圧力検出手段を示す。

ラインｂにはラインｇが分岐して設けられており、ラインｇには前記消化ガス圧力検出手段２２で検出した圧力に応じて経路ｉ、ｊを経て送られる信号に基づいて開閉する開閉弁２３が設けられている。
また前記消化ガス圧力検出手段２２で検出した圧力に応じて経路ｉ、ｋを経て送られる信号に基づいて精製装置５／濃縮装置６を停止・起動できる図示しない停止・起動手段１が備えられている。
消化ガス圧力検出手段２２、ラインｇ、経路ｉ、ｊ、開閉弁２３などで消化ガス排出手段が構成されている。

２４は、製品ガス貯槽７内の製品ガスの圧力を検出する製品ガス圧力検出手段を示す。

ラインｄにはラインｈが分岐して設けられており、ラインｈには前記製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力に応じて経路ｌ、ｍを経て送られる信号に基づいて開閉する開閉弁２５が設けられるとともに、ラインｈの分岐部より下流のラインｄには前記製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力に応じて経路ｌ、ｎを経て送られる信号に基づいて開閉する開閉弁２６が設けられている。
また前記製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力に応じて経路ｐを経て送られる信号に基づいて精製装置５／濃縮装置６を停止・起動できる図示しない停止・起動手段２が備えられている。
また前記製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力に応じて経路ｏを経て送られる信号に基づいて燃料電池装置１１の出力を増減したり、停止・起動できる制御手段（制御装置１０）が備えられている。
製品ガス圧力検出手段２４、ラインｈ、経路ｌ、ｍ、ｎ、開閉弁２５、２６などで製品ガス停止・排出手段が構成されている。

原料槽２からポンプ１８を作動して牛糞尿を発酵槽３へ定期的に供給して約３５℃に加熱してメタン発酵させ、発酵槽３で発生した消化ガスをラインａを経て消化ガス貯蔵装置４に貯蔵する。そして消化ガス貯蔵装置４内の圧力を前記消化ガス圧力検出手段２２で検出する。消化ガス圧力検出手段２２で検出した圧力を予め設定した上限値（例えば５０ｍｍＨ₂ Ｏ）、中間値（例えば１０ｍｍＨ₂ Ｏ）、下限値（例えば数ｍｍＨ₂ Ｏ）と照合する。
前記消化ガス貯蔵装置４がガス不透過性のゴム製袋状物（容量５ｍ³ ）を円筒状密閉容器内に収容した形態の消化ガス貯蔵装置である場合、前記上限値は、発酵槽３の安全圧力値３００ｍｍＨ₂ Ｏ以下〜５０ｍｍＨ₂ Ｏが好ましく、より好ましくは２５０ｍｍＨ₂ Ｏ〜１５０ｍｍＨ₂ Ｏであり、前記中間値は、５０ｍｍＨ₂ Ｏ以下〜３ｍｍＨ₂ Ｏが好ましく、より好ましくは１５ｍｍＨ₂ Ｏ〜１０ｍｍＨ₂ Ｏであり、前記下限値は、数ｍｍＨ₂ Ｏ〜測定可能な値ｍｍＨ₂ Ｏが好ましい。

消化ガス圧力検出手段２２で検出した圧力が上限値以上になった場合は、消化ガス圧力検出手段２２から信号を経路ｉ、ｊを経て開閉弁２３へ送り、開閉弁２３を開けて、消化ガス貯蔵装置４内の消化ガスをラインｂ、ラインｇを経て系外に排出する。

そして消化ガス圧力検出手段２２で検出した圧力が中間値になった場合は、外気が系内に入って特に発酵槽３内の嫌気性細菌を死滅させるなどの悪影響を防止するためにも、消化ガス圧力検出手段２２から信号を経路ｉ、ｊを経て開閉弁２３へ送り、開閉弁２３を閉めて、消化ガスの系外への排出を停止する。

また消化ガス圧力検出手段２２で検出した圧力が下限値以下になった場合は、消化ガス圧力検出手段２２から経路ｉ、ｋを経て精製装置５／濃縮装置６へ信号を送り停止・起動できる図示しない停止・起動手段１を作動して精製装置５／濃縮装置６を停止する。
そして消化ガスが貯り再度中間値になった場合は、精製装置５／濃縮装置６を図示しない停止・起動手段１により起動する。

精製装置５／濃縮装置６で精製・濃縮されたメタンガスを主成分とする製品ガスは製品ガス貯槽７へ移送して貯えられる。製品ガス貯槽７内の製品ガスの圧力は製品ガス圧力検出手段２４で検出される。製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力を、予め設定した上限値（例えば０．３ＭＰａ）、中間値１（例えば０．２ＭＰａ）、中間値２（例えば０．１ＭＰａ）、下限値（例えば０．０２ＭＰａ）と照合する。
以下の説明では中間値１、２を用いて説明するが、中間値１、２をまとめて１つの中間値としてもよい。

（製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が上限値以上になった場合の制御の一実施の態様）
製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が上限値以上になった場合は製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｌ、ｎを経て開閉弁２６に送って開閉弁２６を閉めるとともに製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｌ、ｍを経て開閉弁２５に送って開閉弁２５を開け、製品ガスをラインｄ、ラインｈを経て系外に排出する。
そして製品ガス貯槽７内の製品ガスはラインｆを経て燃料電池装置１１へ供給されて消費され、製品ガス貯槽７内の圧力は徐々に低減する。

そして製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が中間値１になった場合は、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｌ、ｎを経て開閉弁２６に送って開閉弁２６を開けるとともに製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｌ、ｍを経て開閉弁２５に送って開閉弁２５を閉め、製品ガスをラインｄ、ラインｈを経て系外に排出するのを停止する。

通常の運転では、製品ガス圧力検出手段２４で検出される圧力は、上限値と中間値１の間に維持されているが、何らかの原因で、製品ガス貯槽７へ貯えられる製品ガス量が減少した場合には、製品ガス圧力検出手段２４で検出される圧力は低減していく。
そして製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が中間値２になった場合は、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｏを経て燃料電池装置１１の制御装置１０へ送って燃料電池９の出力を最低出力まで低下させ製品ガス貯槽７の圧力を上昇させるようにする。

しかし、万一、製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が下限値になった場合は、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｏを経て燃料電池装置１１の制御装置１０へ送って燃料電池装置１１を停止する。

そして、製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が中間値１以上に回復した場合は、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｏを経て燃料電池装置１１の制御装置１０へ送って燃料電池装置１１を起動する。

（製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が上限値以上になった場合の制御の他の実施の態様）
製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が上限値以上になった場合、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｌ、ｎを経て開閉弁２６に送って開閉弁２６を閉め、開閉弁２５を閉めたまま、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｐを経て精製装置５／濃縮装置６へ送り停止・起動できる図示しない停止・起動手段２を作動して精製装置５／濃縮装置６を停止する。
製品ガス貯槽７内の製品ガスはラインｆを経て燃料電池装置１１へ供給されて消費され、製品ガス貯槽７内の圧力は徐々に低減する。

そして、製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が中間値１まで低下した場合は、前記停止・起動手段２を作動して精製装置５／濃縮装置６を起動するとともに、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｌ、ｍを経て開閉弁２５に送って開閉弁２５を開けて、スタート時のガス仕様を外れた製品ガスを系外にパージし、ガス仕様を満足する製品ガスが得られる予め定められた時間（例えば１分）後に、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｌ、ｍを経て開閉弁２５に送って開閉弁２５を閉め、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｌ、ｎを経て開閉弁２６に送って開閉弁２６を開け、製品ガスを製品ガス貯槽７内に貯える。

製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が中間値２になった場合は、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｏを経て燃料電池装置１１の制御装置１０へ送って燃料電池９の出力を最低出力まで低下させる。

製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が下限値になった場合は、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｏを経て燃料電池装置１１の制御装置１０へ送って燃料電池装置１１を停止する。

そして、製品ガス圧力検出手段２４で検出した圧力が中間値１を超えて回復した場合は、製品ガス圧力検出手段２４から信号を経路ｏを経て燃料電池装置１１の制御装置１０へ送って燃料電池装置１１を起動し、発電を行う。

なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明は、下水汚泥、有機性排水、厨芥類などの食品残渣および糞尿などの従来は廃棄されていた有機性廃棄物をメタン発酵させて消化ガスを発生させ、この消化ガス中の不純物を取り除いたり、消化ガス中のメタン濃度を濃縮して得られるメタンガスを主成分とする製品ガスを改質して、水素を主成分とする改質ガスを得て、この改質ガスと空気などの酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池装置を備えたバイオガスプラントの制御装置およびバイオガスプラントの制御方法に関するものであり、消化ガス発生量が時間的に変動しても、燃料電池装置において一定の出力での発電を安定して継続でき、長時間の連続運転が可能になる上、消化ガス発生量の変動を吸収するほどに大きな容量を必要とせず経済的であるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。

本発明で用いるバイオガスプラントの１例を模式的に説明する説明図である。本発明のバイオガスプラントの制御装置および制御方法の１例を模式的に説明する説明図である。有機性廃棄物（牛糞尿）を発酵槽へ一日一回投入してメタン発酵させる場合の消化ガス発生量と時間との関係の一例を説明するグラフである。

符号の説明

ａ〜ｈライン
ｉ〜ｐ経路
１バイオガスプラント
２原料槽
３発酵槽
４消化ガス貯蔵装置
５精製装置
６濃縮装置
７製品ガス貯槽
８改質装置
９燃料電池
１０制御装置
１１燃料電池装置
２２消化ガス圧力検出手段
２３、２５、２６開閉弁
２４製品ガス圧力検出手段

Claims

有機性廃棄物を蓄える原料槽と、この原料槽から有機性廃棄物を定期的に受け入れてメタン発酵させる発酵槽と、この発酵槽で発生した消化ガスを貯蔵する消化ガス貯蔵装置と、この消化ガス貯蔵装置から供給される消化ガス中の不純物を取り除く精製装置および消化ガス中のメタン濃度を濃縮する濃縮装置と、またはこの消化ガス貯蔵装置から供給される消化ガス中の不純物を取り除く精製装置と、精製・濃縮されたメタンガスを主成分とする製品ガスを貯蔵する製品ガス貯槽と、この製品ガス貯槽から供給されるメタンガスを主成分とする製品ガスを改質して得られる水素と酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池装置とを順次ラインで連結して構成されるバイオガスプラントの制御装置であって、
前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスの圧力を検出する消化ガス圧力検出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力が上限値以上になった場合に前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスを系外に排出する消化ガス排出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段１を備えるとともに、
前記製品ガス貯槽内の製品ガスの圧力を検出する製品ガス圧力検出手段、および前記製品ガス貯槽への製品ガスの供給ラインに設置されて前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力が上限値以上になった場合に前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するか系外に排出する製品ガス停止・排出手段、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段２、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記燃料電池装置の出力を増減するかあるいは停止・起動する制御手段を備えたことを特徴とするバイオガスプラントの制御装置。
有機性廃棄物を蓄える原料槽と、この原料槽から有機性廃棄物を定期的に受け入れてメタン発酵させる発酵槽と、この発酵槽で発生した消化ガスを貯蔵する消化ガス貯蔵装置と、この消化ガス貯蔵装置から供給される消化ガス中の不純物を取り除く精製装置および消化ガス中のメタン濃度を濃縮する濃縮装置と、またはこの消化ガス貯蔵装置から供給される消化ガス中の不純物を取り除く精製装置と、精製・濃縮されたメタンガスを主成分とする製品ガスを貯蔵する製品ガス貯槽と、この製品ガス貯槽から供給されるメタンガスを主成分とする製品ガスを改質して得られる水素と酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池装置とを順次ラインで連結して構成されるバイオガスプラントであって、
前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスの圧力を検出する消化ガス圧力検出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスを系外に排出する消化ガス排出手段、および前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段１を備えるとともに、
前記製品ガス貯槽内の製品ガスの圧力を検出する製品ガス圧力検出手段、および前記製品ガス貯槽への製品ガスの供給ラインに設置されて前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するか系外に排出する製品ガス停止・排出手段、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動する停止・起動手段２、および前記製品ガス圧力検出手段で検出した圧力に応じて前記燃料電池装置の出力を増減するかあるいは停止・起動する制御手段を備えたバイオガスプラントの制御方法において、
（１）前記消化ガス圧力検出手段で検出した圧力を予め設定した上限値、中間値、下限値と照合して、
（２）上限値以上になった場合は前記消化ガス排出手段を作動して前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスを系外に排出し、
（３）中間値になった場合は前記消化ガス貯蔵装置内の消化ガスの前記排出手段による系外への排出を停止し、
（３）そして下限値以下になった場合は前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動手段１を作動して停止し、
（４）そして再度中間値に戻った場合は前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止・起動手段１により起動するとともに、
（５）前記製品ガス検出手段で検出した圧力を予め設定した上限値、中間値、下限値と照合して、
（６）上限値以上になった場合は前記製品ガス停止・排出手段を作動して前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するとともに系外に排出するか、あるいは
（７）上限値以上になった場合は前記製品ガス停止・排出手段を作動して前記製品ガス貯槽へ供給される製品ガスを停止するとともに前記停止・起動手段２を作動して前記精製装置および濃縮装置または精製装置を停止し、
（８）中間値になった場合は前記製品ガス停止・排出手段による製品ガスの系外への排出を停止し、あるいはさらに前記停止・起動手段２を作動して前記精製装置および濃縮装置または精製装置を起動し、あるいはさらに前記燃料電池装置の出力を制御手段により低減させ、
（９）そして下限値以下になった場合は前記燃料電池装置の出力を前記制御手段により停止させる
ように制御する工程を含むことを特徴とするバイオガスプラントの制御方法。