JP5109468B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、有機性排水や有機性廃棄物の処理施設から発生する消化ガスを用いて発電を行い、その電力を前記施設に供給する燃料電池発電システムに関する。

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。この燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、炭化水素系の原燃料から、触媒の作用により水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成させる反応器と、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、大型火力発電並の高い効率を誇っている。

さらに、燃料電池発電システムは、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、下水浄化施設等に設置した場合は、燃料電池の発電電力を下水浄化施設内の電力消費機器に利用し、排熱は嫌気性消化槽の加温に利用することが可能である。
一方、嫌気性消化槽から消化ガスの発生量は、燃料電池発電システムの出力とは関係なく、下水浄化施設の運転条件により決まる。そのため、燃料電池発電システムを安定に運転するには、消化ガスの使用可能量を適正に把握する必要があり、ガス量が不足すると燃料電池発電システムに大きなダメージを与えてしまう問題があった。

特許文献１には、このような嫌気性排水処理による嫌気性ガス発生設備から発生する嫌気性ガスを消費して発電を行う燃料電池発電設備が、発生した嫌気性ガスを過不足なく全量消費して運転停止に至ることがないよう燃料電池発電設備の出力を制御することが記載されている。
ところで下水浄化施設内の電力負荷は、下水流入量の多い昼間高く、下水流入量が少ない夜間に低くなる傾向があり、最低負荷は最高負荷の半分程度にまで低減する。また、下水浄化施設内には大型のポンプや曝気用送風機が使用されているため、これらが入切する際に下水浄化施設内の電力負荷は瞬時に数十KW〜百KW程度の急激な負荷変動が発生する。

一方、下水浄化施設で消費する電力の一部を供給する燃料電池発電システムから外部商用電力系への逆潮流は通常許されておらず、下水浄化施設内の電力消費機器の急激な負荷変動があった場合でも逆潮流が発生しないように下水処理設備の最低負荷以下の出力電力で燃料電池発電システムを運転し、残りの電力需要分は外部商用系統からの買電により賄っていた。

このような運転方法で運転している従来の燃料電池発電システムの電力量の推移を図6に示す。図6に示す通り、従来の燃料電池発電システムにおいては、逆潮流を防止するために、下水浄化施設の電力需要の下限値以下で一定負荷運転を実施していた。
特開２００１−２５０５７２号公報

上述のように、従来、下水浄化施設等で発生する消化ガスを原燃料として発電し、発電電力で前記施設の電力消費量の一部を賄う燃料電池発電システムにおいては、逆潮流を防止するために、下水浄化施設の電力消費量の下限値以下で一定負荷運転を実施していた。
そのため、下水浄化施設で発生する消化ガスが余剰となっている場合でも燃料電池発電システムの出力を増加させて有効に嫌気性消化ガスを活用することができなかった。

本発明においては、上記課題を解決するために、有機性排水又は有機性廃棄物等の処理
設備から発生するメタン含有ガスを原燃料として発電し、前記処理設備で消費される電力
の一部を供給する燃料電池発電システムに、前記処理設備の電力消費量を計測する手段と
、前記燃料電池発電システムの発電出力を計測する手段を設けて、前記電力消費量の計測
値と前記発電出力の計測値との差が、予め定めた値、もしくは、予め定めた下限値以上
かつ上限値以下の値となるように前記発電出力を制御するものとした。

また、前記予め定めた値または前記下限値は、前記処理設備における瞬時の最大電力消費量減少量を予め調べておき、これよりも大きく設定することが好ましい。
さらに、前記処理設備の電力消費機器のうち予め定めた特定の機器の起動または停止の予告信号が前記制御手段へ入力されると、前記予め定めた値、もしくは、前記予め定めた下限値及び上限値の値を変更し、前記機器の起動に先行して発電出力を増加、または、前記機器の停止に先行して発電出力を減少させる制御としてもよく、または、
前記処理設備における特定の処理工程の開始または停止の予告信号が前記制御手段に入力されると、前記予め定めた値、もしくは、前記予め定めた下限値及び上限値の値を変更し、 前記処理工程の開始に先行して発電出力の増加を開始、または、前記処理工程の終了に先行して発電出力の減少を開始させる制御を行う燃料電池発電システムとしても良い。

また更に、上記制御に加えて、前記処理設備から発生したメタン含有ガスを貯留するタンク内の貯留量検出手段の検出値が第１の設定値を下回った場合に、発電出力を予め定めた出力設定値まで低減し、タンク内の貯留量検出手段の検出値が第１の設定値より小さい第２の設定値を下回った場合に、前記燃料電池発電システムを待機運転させる制御を行うものとしてもよい。

本発明によれば、下水浄化施設等の電力消費量に応じて発電出力の増減を行い、発生する消化ガスを有効利用しながらも、逆潮流を発生させることなく安定な運転が行える燃料電池発電システムが得られるので、燃料電池発電システムの適用市場として有望な消化ガス発生施設への設置普及拡大に貢献することができる。

図１は、下水浄化施設で発生したバイオガスを原燃料として発電出力で下水浄化施設の電力需要の一部を賄う本発明の燃料電池発電システムの模式図である。図１に示すように下水浄化施設1内の電力消費機器４へは、外部商用電源２と燃料電池発電システム３の燃料電池本体９とから電力が供給されるよう配線されており、電力消費機器４が消費する電力消費量（Ｗs）を計測する電力計５と、燃料電池発電システム３の出力電力（Ｗf）を計測する電力計6とが各々設けられている。また、下水浄化施設１の嫌気性消化槽１１にて発生した消化ガスは、ガスタンク１２に貯留された後、改質器８に供給され水素に富んだ改質ガスに改質されて燃料電池本体９の発電反応に供される。

そして、燃料電池発電システム３に設けられた制御装置７には、電力計５の検出値と電力計６の検出値とが入力され、ＷsからＷfを引いた差の値（ΔＷs-f）が予め決められた設定値Ｘaとなるように、又は、予め決められた下限値Ｘb以上かつ上限値Ｘc以下に維持されるように燃料電池発電システム３の出力制御を行う。
尚、ΔＷs-fが予め決めた設定値Ｘaとなるように出力制御するよりも所定の範囲Ｘb≦ΔＷs-f≦Ｘc（但し、Ｘb＜Ｘcに設定）となるよう出力制御する方が、出力のハンチング現象防止の観点から好ましい。

ここで、上記設定値Ｘa又は上記下限値Ｘbの値は、予め下水浄化施設1の各処理工程でＯＮ／ＯＦＦされる電力消費機器４の種類とその電力消費量を調べることにより、又は、下水浄化施設1における電力消費量変動の過去の履歴に基づいて、瞬時に発生する下水浄化施設1の電力負荷減少量の最大値（ΔＷmax）を把握し、上記設定値Ｘaまたは下限値Ｘbを電力負荷減少量の最大値ΔＷmax以上の値に設定する。

これにより、燃料電池発電システム３は、下水浄化施設1の電力消費量（Ｗs）に対しΔＷmax以上の差を負荷減少吸収帯として維持しなから負荷追従運転が行われる一方で、下水浄化施設1の電力消費量（Ｗs）が瞬時に大幅な減少を生じても、その減少量が負荷減少吸収帯の範囲内に収まるので、下水浄化施設1の電力消費量（Ｗs）が燃料電池発電システム３の出力電力（Ｗf）を割り込むことがなく、逆潮流の発生を防止することができる。

次に、本発明の燃料電池発電システム３の出力制御フローを図２に示す。図２のフローに示されるように、本実施例では、下水浄化施設1内の電力消費機器４が消費する電力消費量を電力計５で検出した検出値（Ｗs）と、燃料電池発電システム３の出力電力を電力計６で検出した検出値（Ｗf）とが制御装置７の演算器に入力され、検出値Ｗsから検出値Ｗfを引いた差（ΔＷs-f）が算出される。そして、この差（ΔＷs-f）が、予め決められた下限設定値（Ｘb）以上かつ上限設定値（Ｘc）以下に維持されるように出力制御する。

すなわち、ΔＷs-fが減少して下限設定値Ｘbよりも小さくなると、燃料電池発電システム３に出力を減少するよう指令を送る。逆に、ΔＷs-fの値が増加して上限設定値Ｘcよりも大きくなると燃料電池発電システム３に出力を増加させるよう指令を送る。下限設定値Ｘbは、上述のように下水浄化施設1内に設置されている各電力消費機器４の電源容量と運転シーケンスから、燃料電池発電システム３が負荷追従できない瞬時または急激な電力負荷減少の最大値を見込んで決めることが出来る。好ましくは、下限設定値Ｘb を上記の最大の電力負荷減少量の１２０％程度に、上限設定値Ｘcを下限設定値Ｘbの10％増程度に設定すると良い。

さらに、燃料電池発電システム３は、制御装置７から発電出力の増加／減少指令が出て改質器8へ原燃料ガス流量の増加／減少が行われた後、改質器8での反応を経て燃料電池本体９の発電出力増／減に反映されるまでに時間差を有する為、下水処理設備内の電力消費量の急激な変化を事前に検知してこの変動に先行させて燃料電池発電システム３の発電出力の増加／減少指令を行えば、燃料電池発電システム３を電力需要変動への負荷追従性、信頼性をより向上させることができる。

特定の大型補機の起動／停止、もしくは、特定の処理工程の開始／停止は、下水浄化施設1への下水流入量に基づいて行われるので、下水浄化施設1への下水流入量を計測し、この計測値に基づいて電力消費量の急激な変化を事前に検知することができる。従って、大型補機の起動／停止、もしくは、特定の処理工程の開始／停止が行われる前に、下水浄化施設1の制御装置７から燃料電池発電システム３の制御装置７へと負荷変化予告信号を送り、この信号に基づいて燃料電池発電システム３の発電出力の増大／減少の開始を先行させる。

尚、本発明は、上述した下水浄化施設1に電力を供給する燃料電池発電システム３に限らず、有機性廃棄物をメタン発酵処理する施設と組み合わせて運転される燃料電池発電システムにも同様に実施できる。

本実施例では、200kWの大型送風機が起動／停止した瞬間が最大の負荷変動となる下水浄化施設1に併設される燃料電池発電システム３において、下限設定値（Ｘb） として240kW、上限設定値（Ｘc）として270kWに設定し、図２のフローに従って出力制御を行った。
これにより、燃料電池発電システム３の出力は、電力消費量との間に240kW〜270kWの差を負荷変動吸収帯として維持しつつ負荷追従制御される。

本実施例の燃料電池発電システム３の出力電力量推移を図３に示す。図３に示すように、昼間は、下水処理工程の汚泥脱水処理や乾燥処理などのバッチ処理が行われ、また下水流入量も増加するため下水浄化施設1の電力消費量が夜間よりも大きくなる。下水浄化施設1の電力消費量に追従して燃料電池発電システム３の出力電力も昼間は大きくなるが、下水浄化施設1内の電力消費量（Ｗs）よりも240kW〜270kW低く維持される。

これにより、急激に下水浄化施設1内の負荷電力低減が発生しても低減後の電力消費量が負荷変動吸収帯の範囲内にとどまるので逆潮流は発生しない。その際、電力消費量（Ｗs）と出力電力（Ｗf）との差（ΔＷs-f）が一時的に下限設定値の240kWを下回るが、その直後に燃料電池発電システム３の出力設定値を下げる制御が行われることにより、再度、負荷変動吸収帯を維持しながら負荷追従運転が行える。

逆に、急激に電力消費量が増加した場合は、即座に外部商用電源２の受電量が増加し、一時的に電力消費量（Ｗs）と出力電力（Ｗf）との差が上限設定値の270kWを越えるが、その直後に、燃料電池発電システム３の出力設定値を増加する制御が行われることにより、再度、負荷変動吸収帯を維持しながら負荷追従運転が行なわれる。

本実施例の燃料電池発電システム３は、下水流入量の計測値が所定の設定値を超えると200kWの曝気用送風機１０が起動し、当該設定値を下回ると曝気用送風機１０が停止する下水浄化施設１に併設されている。下水浄化施設１への下水流入量の計測値は、下水浄化施設１の制御装置（不図示）に入力され、設定値を超えた時に曝気用送風機１０を起動することを予告する信号を燃料電池発電システム３の制御装置７へ送信し、逆に設定値を下回ったときに停止予告信号を制御装置７へ送信する。

図４に本実施例の燃料電池発電システムの発電出力制御フローを示す。図４に示すように、本実施例の燃料電池発電システム３は、常時は実施例１同様に、下水浄化施設1の電力消費量（Ｗs）と燃料電池発電システム３の出力電力（Ｗf）との差（ΔＷs-f）が、予め設定された下限設定値（Ｘb）以上かつ上限設定値（Ｘc）以下となるように制御されるが、曝気用送風機１０の起動または停止の予告信号を受信した際は、下限設定値（Ｘb）および上限設定値（Ｘc）の設定値を変更する制御が加わっている点が実施例１と相違している。

以下、本実施例の燃料電池発電システム３の制御を具体的に説明する。
本実施例においても、下限設定値（Ｘb）を240kＷ、上限設定値（Ｘc）を270kWに初期設定し、電力消費量（Ｗs）と燃料電池発電システム３の出力電力（Ｗf）との差（ΔＷs-f）が定常時は240〜270 kWになるよう出力制御する。
下水浄化施設１の曝気用送風機１０が稼動していない状態から、下水流入量が増加して下水流入量計測値が設定値を上回り、曝気用送風機１０の起動予告信号が燃料電池発電システム３の制御装置７に入力されると、電力消費量（Ｗs）と燃料電池発電システム３の出力電力（Ｗf）との差（ΔＷs-f）の下限設定値（Ｘb）を初期設定値の240kWから40kWに、上限設定値（Ｘc）を初期値の270kWから70kWへ低減する設定変更を行い燃料電池発電システム３の発電出力の増加を開始させる。曝気用送風機１０は、停止予告信号発信の５分後に起動するものとし、燃料電池発電システム３の制御装置７は、曝気用送風機１０の起動と同時に下限設定値（Ｘb）及び上限設定値（Ｘc）を初期値の240kWと270kWへ戻すことにより、定常時の負荷変動吸収帯を維持するよう制御される。

一方、下水浄化施設１への下水流入量の計測値が設定値を超えており曝気用送風機１０が稼動している状態から、下水流入量の計測値が設定値を下回り、曝気用送風機１０の停止予告信号が制御装置７に入力されると、電力消費量（Ｗs）と燃料電池発電システム３の出力電力（Ｗf）との差（ΔＷs-f）の下限設定値（Ｘb）を当初設定値の240kWから440kWに、上限設定値（Ｘc）を当初設定値の270kWから470kWへ増大する設定変更を行い燃料電池発電システム３の発電出力の低減を開始させる。曝気用送風機１０は、停止予告信号発信の５分後に停止するものとし、燃料電池発電システム３の制御装置７は、曝気用送風機１０の停止と同時に下限設定値（Ｘb）及び上限設定値（Ｘc）を各々当初の240kWと270kWへ戻すことにより、定常時の負荷変動吸収帯を維持するよう制御される。

なお、本実施例では、曝気用送風機１０の起動の５分前に起動予告信号を、曝気用送風機１０の停止の５分前に停止予告信号を発するように設定したが、これらの時間は、燃料電池発電システム３の発電出力が、電力消費量変化量に追従するのに要する時間に応じて設定される。また、本実施例では電力消費機器４のうちの大型補機である曝気用送風機１０の起動／停止予告信号に基づいて燃料電池発電システム３の出力増大／減少を開始するものとしたが、これに限らず複数の補機が同時に起動／停止し急激な電力消費量変動を生じる特定の処理工程の開始／停止信号に基づいて燃料電池発電システム３の出力増大／減少を開始させることとしても良い。

本実施例では、実施例１の制御に以下の制御を加えた。本実施例の制御フローを図５に示す。
下水浄化施設1で発生した消化ガスを貯留するガスタンク１２には、ガスタンク１２内のガス残量を検出するレベル計１３が設けられている。レベル計１３により検出されたガス残量は制御装置７に入力され、ガス残量がLレベル（30％程度）未満になると、制御装置７は電力消費量（Ｗs）と燃料電池発電システム３の出力電力（Ｗf）との差（ΔＷs-f）を所定の下限設定値（Ｘb）及び上限設定値（Ｘc）の範囲内となるよう出力電力（Ｗf）を制御するのを中断し、燃料電池の発電出力を４０％に低減してガスの使用量を抑える運転に切り替え、ガスタンク１２内の貯留量が回復するまで４０％負荷運転を継続する。負荷低減にも関わらず、さらにガス残量がLLレベル（5％未満）を下回る場合は装置を停止させる。

その後、ガス残量がLレベルを回復すると、電力消費量（Ｗs）と燃料電池発電システム３の出力電力（Ｗf）との差（ΔＷs-f）を所定の下限設定値（Ｘb）及び上限設定値（Ｘc）の範囲内とする制御が再開される。
尚、本実施例では実施例１の制御に、ガスタンクの残量に基づく出力制御を加えたが、実施例２の制御にも同様の制御を加えることができる。

下水浄化施設に設置された本発明の燃料電池発電システムの電力系統図 本発明の燃料電池発電システムの発電出力制御フロー 本発明第１実施例の燃料電池発電システムの発電電力推移図 本発明第２実施例の燃料電池発電システムの発電出力制御フロー 本発明第３実施例の燃料電池発電システムの発電出力制御フロー 従来の燃料電池発電システムの発電電力推移図

符号の説明

１ 下水浄化施設
２ 外部商用電源
３ 燃料電池発電システム
４ 電力消費機器
５，６ 電力計
７ 制御装置
８ 改質器
９ 燃料電池本体
１０ 曝気用送風機
１１ 嫌気性消化槽
１２ ガスタンク
１３ レベル計

Claims (5)

1. 有機性排水又は有機性廃棄物の処理設備から発生するメタン含有ガスを原燃料として発
   電し、前記処理設備で消費される電力の一部を供給する燃料電池発電システムにおいて、
   前記処理設備の電力消費量を計測する手段と、前記燃料電池発電システムの発電出力を
   計測する手段を有し、
   前記電力消費量の計測値と前記発電出力の計測値との差が、予め定めた値、もしくは
   、予め定めた下限値以上かつ上限値以下の値となるように前記発電出力を制御する制御手
   段を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記予め定めた値または前記下限値が、前記処理設備における瞬時の最大電力消費量減
   少量よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システ
   ム。
3. 前記処理設備の電力消費機器のうち予め定めた特定の機器の起動または停止の予告信号
   が前記制御手段へ入力されると、前記予め定めた値、もしくは、前記予め定めた下限値及
   び上限値の値を変更し、
   前記機器の起動に先行して発電出力を増加、または、前記機器の停止に先行して発電出
   力を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電シス
   テム。
4. 前記処理設備における特定の処理工程の開始または停止の予告信号が前記制御手段に入
   力されると、前記予め定めた値、もしくは、前記予め定めた下限値及び上限値の値を変更
   し、
   前記処理工程の開始に先行して発電出力の増加を開始、または、前記処理工程の終了に
   先行して発電出力の減少を開始させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電
   池発電システム。
5. 前記処理設備から発生したメタン含有ガスを貯留するタンク内の貯留量検出手段の検
   出値が第１の設定値を下回った場合に、発電出力を予め定めた出力設定値まで低減し、
   タンク内の貯留量検出手段の検出値が第１の設定値より小さい第２の設定値を下回った
   場合に、前記燃料電池発電システムを待機運転させることを特徴とすることを特徴とする
   請求項１から４に記載の燃料電池発電システム。