JP5959961B2 - 燃料電池発電装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、消化ガスと都市ガスとを併用する燃料電池発電装置およびその制御方法に関する。
燃料電池は、水素と酸素とを電気化学的に反応させて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装置は、触媒の作用により炭化水素系の原燃料から水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成する改質器と、この改質器で生成され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を生成する燃料電池本体とを備えている。燃料電池発電装置は、比較的小規模な装置であるが、その発電効率は４０％に達し、大型火力発電装置と同等の高い発電効率を有する。
さらに、この燃料電池発電装置を下水浄化施設などに設置する場合、燃料として嫌気性消化槽から発生する消化ガスを用いることができると同時に、発電装置の廃熱を嫌気性消化槽の加温に利用することが可能であり、廃棄物中のエネルギーを余すことなく有効活用ができるという大きな利点がある。
ところで、嫌気性消化槽から発生する消化ガスの発生量は、燃料電池発電装置の出力とは関係なく、下水浄化施設の運転条件により定まる。そのため、下水浄化施設の規模によっては、消化ガスの発生量が少なく、燃料電池発電装置の発電能力を最大限に利用することができないという状況が発生する。そこで、消化ガスと都市ガスとを混合させて使用する燃料電池発電装置が考えられている（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、消化ガスを余すことなく燃料電池の燃料ガスとして有効に利用するためのものであり、燃料電池発電装置の全体で消化ガスを余すことなく利用するための技術ではない。つまり、燃料電池発電装置の全体では、燃料電池の発電のみならず、改質器の燃焼器によっても燃焼性のガスが利用される。したがって、特許文献１に記載の技術では、改質器の燃焼器でも消化ガスを有効活用するということができない。
また、改質器の燃焼器でも消化ガスを活用使用とした場合、消化ガス中のメタンガス濃度の変動が改質器の作動に影響を与えてしまうという問題が発生する。改質器における改質反応は、吸熱反応であり、かつ、反応温度も高温である。したがって、消化ガス中のメタンガス濃度が変動した場合、改質器の燃焼器による昇温が正常に行われないという問題が発生する。
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、発電に用いる燃料ガスにのみならず、改質器の昇温にも消化ガスを利用することができる燃料電池発電装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の燃料電池発電装置は、改質ガスに改質するための燃料ガスを供給する改質系統と燃焼に用いるための燃焼ガスを供給する燃焼系統とが接続された改質器と、前記改質器によって改質された改質ガスを用いて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃焼系統に燃焼ガスとして消化ガスを供給する消化ガス用の燃焼系統と、前記消化ガス用の燃焼系統に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計と、前記メタン濃度計によって測定されたメタンガス濃度に基づいて、前記消化ガス用の燃焼系統から供給される消化ガスの流量を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の燃料電池発電装置は、改質ガスに改質するための燃料ガスを供給する改質系統と燃焼に用いるための燃焼ガスを供給する燃焼系統とが接続された改質器と、前記改質器によって改質された改質ガスを用いて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃焼系統に燃焼ガスとして消化ガスを供給する消化ガス用の燃焼系統と、前記燃焼系統に燃焼ガスとして都市ガスを供給する都市ガス用の燃焼系統と、前記消化ガス用の燃焼系統に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計と、前記メタン濃度計によって測定されたメタンガス濃度に基づいて、前記燃焼系統に燃焼ガスとして消化ガスまたは都市ガスのいづれかを供給するかを切換える制御をする制御部とを備えることを特徴とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の燃料電池発電装置の制御方法は、消化ガスと都市ガスとを併用する燃料電池発電装置の制御方法であって、前記消化ガス中のメタンガス濃度を測定する濃度測定ステップと、前記メタンガス濃度に基づいて、前記消化ガスによる発熱量を計算する発熱量計算ステップと、前記消化ガスによる発熱量が所定の値となるように、前記消化ガスを改質器の燃焼器へ供給する供給量を制御する制御ステップとを含むことを特徴とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の燃料電池発電装置の制御方法は、消化ガスと都市ガスとを併用する燃料電池発電装置の制御方法であって、前記消化ガス中のメタンガス濃度を測定する濃度測定ステップと、前記メタンガス濃度に基づいて、前記消化ガスによる燃焼の可否を判断する判断ステップと、前記判断ステップが否の場合に、改質器の燃焼器に供給される燃焼ガスを消化ガスから都市ガスへ切換える切換ステップとを含むことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池発電装置およびその制御方法によれば、発電に用いる燃料ガスにのみならず、改質器の昇温にも消化ガスを利用することができる。
以下に、本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置およびその制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。
〔第１実施形態の装置構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。また、図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置が備える改質器の概略構成を示す断面図である。
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。また、図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置が備える改質器の概略構成を示す断面図である。
図１に示されるように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１は、主要構成要素として、改質器２と燃料電池セルスタック３と制御部４とを備える。改質器２は、燃料ガス及び水を原料として改質触媒により水素を主成分とする改質ガスを生成する装置である。燃料電池セルスタック３は、改質器２から供給された水素および空気中の酸素から電力を発生させる装置である。制御部４は、燃料電池発電装置１の各構成要素を制御するための制御装置である。
図２に示されるように、改質器２の内部は、大きく分けて２つに区分けされる。すなわち、改質器２の内部には、燃焼ガスが供給され、燃焼器２ａにより燃焼ガスが燃焼され、排ガスを排出する燃焼室２ｂと、燃料ガスが供給され、改質触媒２ｃにより燃料ガスが改質され、改質ガスを送出する改質室２ｄとが存在する。燃焼室２ｂと改質室２ｄとは、改質器２の内部で隣接して設けられ、燃焼室２ｂの燃焼器２ａにより発生した熱が改質室２ｄに供給される。また、燃焼器２ａにより発生した熱を有効活用するために、改質器２全体は、断熱材２ｅによって覆われている。
改質器２における燃料ガスを改質ガスへ改質する反応は、吸熱反応であり、しかも反応温度が６００度以上の高温である。そこで、改質器２の内部では、燃焼器２ａにより発生した熱を改質室２ｄに供給し続けることにより、燃料ガスが改質ガスへ改質される。
ここで、図１を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の構成要素について、より詳細に説明を行う。
上述したように、本発明の第１実施形態に係る改質器２は、改質ガスを生成するための燃料ガスと、燃焼のための燃焼ガスとを必要とする。また、本発明の第１実施形態に係る改質器２は、燃料ガスとして消化ガスと都市ガスとを併用する構成である。したがって、本発明の第１実施形態に係る改質器２は、消化ガス用の改質系統５と、都市ガス用の改質系統６と、消化ガス用の燃焼系統７と、が接続されている。
消化ガス用の改質系統５により供給される消化ガスと、都市ガス用の改質系統６により供給される都市ガスとは、改質器２に送入される際に併合され、燃料ガスとして改質器２の改質室２ｄに供給される。消化ガス用の燃焼系統７により供給される消化ガスは、燃料ガスとして燃焼器２ａに供給される。
消化ガス用の改質系統５は、燃料電池発電装置１の外部の消化ガス用タンクから、開閉弁９と、脱硫器１０と、流量調節弁１１とを介して、消化ガスを改質器２の改質室２ｄに送入するためのパイプラインである。
開閉弁９は、燃料電池発電装置１の外部から供給される消化ガスの開閉を行うための弁である。消化ガスは、可燃性物質であるメタン以外に、二酸化炭素・窒素・硫化水素などを含んでおり、成分の一つである硫化水素は、毒性が強く金属を腐食させる作用を有する。脱硫器１０は、消化ガスからこの硫化水素を除去する装置である。流量調節弁１１は、改質器２に供給される消化ガスの単位時間当たりの流量を調節するための弁である。なお、流量調節弁１１は、流量計を併設して流量を監視しながら弁の開度を調整し得るように構成されている。
都市ガス用の改質系統６は、燃料電池発電装置１の外部の都市ガス用タンクまたは商用供給パイプラインから、開閉弁１２と、流量調節弁１３と、を介して、都市ガスを改質器２の改質室２ｄへ送入するためのパイプラインである。なお、本明細書でいう都市ガスとは、天然ガス等から工業的に製造され安定的に供給されるメタンを主成分とする燃料ガス一般を意味する。開閉弁１２は、燃料電池発電装置１の外部から供給される都市ガスの開閉を行うための弁である。流量調節弁１３は、改質器２に供給される都市ガスの単位時間当たりの流量を調節するための弁である。なお、流量調節弁１３は、流量計を併設して流量を監視しながら弁の開度を調整し得るように構成されている。
消化ガス用の燃焼系統７は、燃料電池発電装置１の外部の消化ガス用タンクから、開閉弁９と、脱硫器１０と、流量調節弁１４とを介して、消化ガスを改質器２の燃焼器２ａに送入するためのパイプラインである。
図１に示されるように、開閉弁９および脱硫器１０は、消化ガス用の改質系統５と消化ガス用の燃焼系統７とで共有されるように構成することが可能である。しかしながら、消化ガス用の改質系統５の流量調節弁１１と消化ガス用の燃焼系統７の流量調節弁１３とは、独立に設けられ、それぞれが異なる流量となるように設定可能に構成されている。
一方、改質器２によって生成された改質ガスは、ＣＯ変成器１６を介して燃料電池セルスタック３へ送出される。改質器２によって生成される改質ガスは、Ｈ2（水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ2（二酸化炭素）を含むガスであるが、ＣＯ（一酸化炭素）は燃料電池本体の働きを阻害する。ＣＯ変成器１６は、内部にＣＯ変成用触媒が充填されており、改質ガス中のＣＯがＣＯ変成用触媒の作用によって水と反応することにより（ＣＯシフト反応）、Ｈ2とＣＯ2とに転換される。結果、ＣＯ変成器１６は、改質ガスに含まれるＣＯの濃度を燃料電池本体の働きを阻害しないレベルに減少させる。
燃料電池セルスタック３としては、例えばリン酸型の燃料電池を用いることができる。燃料電池セルスタック３は、燃料極、電解質、および、空気極からなる燃料電池セルをセパレータで離隔しつつ積層したものである。
ＣＯ変成器１６を介して改質器２から導入された改質ガス中の水素は、以下の反応式（１）に示すように、燃料電池セルスタック３内の燃料極にて、水素イオンと電子に分解される。一方、空気極では、以下の反応式（２）に示すように、燃料極で発生した水素イオンと空気中の酸素および電極からの電子が反応し、水が発生する。
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
空気極：２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ ・・・（２）
空気極：２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ ・・・（２）
燃料極と空気極との間を満たす電解質はイオンのみを通過させるので、上記反応により燃料電池セルスタック３の燃料極と空気極との間に起電力が発生する。上記反応により燃料電池セルスタック３の燃料極と空気極との間に発生する起電力は、一つのセルのみでは実用レベルの起電力とはならないが、先述したように、燃料電池セルスタック３は燃料電池セルを多数積層しているので、燃料電池セルスタック３全体としては例えば１００ｋＷなどの起電力を得ることができる。
なお、燃料電池セルスタック３で発生した電力は、直流電力であるので、一般にインバータなどにより交流電力化して燃料電池発電装置１の外部に送電する。
制御部４は、発電電力および使用電力に基づいて、消化ガスおよび都市ガスの流入量を制御するためのユニットであり、例えばＰＬＣによって実現される。制御部４は、流入量の制御を実行するために、燃料電池発電装置１が発電して外部に送電する発電電力を発電電力モニター１７によって取得し、燃料電池発電装置１に供給される消化ガス中のメタンガス濃度をメタン濃度計１８によって取得し、さらに燃料電池発電装置１を配置するプラント（例えば下水処理場）で現在使用されている使用電力を負荷監視手段１９によって取得する。
制御部４は、上述のように取得した使用電力と発電電力との差に基づいて、流量調節弁１１および流量調節弁１３の開度を調整する。すなわち、燃料電池発電装置１の発電電力を増加減させるために、改質器２に供給される燃料ガスの供給量を制御する。改質器２に供給される燃料ガスの供給量を制御するためには、消化ガスの供給量を制御する方法と、都市ガスの供給量を制御する方法とがあるが、使用電力と発電電力との差を縮小するために行う制御においては、都市ガスの供給量を制御する方法を優先することが好ましい。消化ガスの発生量は、燃料電池発電装置の出力とは関係なく、下水浄化施設の運転条件により定まるからである。したがって、消化ガスの時間当たりの消費量を一定の範囲内にすることは、消化ガスの効率良い消費に寄与する。
一方、制御部４は、上述のようにメタン濃度計１８によって取得した消化ガス中のメタンガス濃度に基づいて、流量調節弁１４の開度を調整する。すなわち、改質器２の燃焼器２ａによる発熱量を増加減させるために、燃焼器２ａに供給される消化ガスの供給量を制御する。
下水処理施設の消化過程で発生する消化ガス中のメタンガス濃度は、一般的に６０％程度とされているが、消化処理における何らかの要因で消化ガス中のメタンガス濃度が変動することがある。特に、生ゴミを投入することを可能にする消化設備においては、消化ガスのメタンガス濃度の変動が発生しやすい。そして、消化ガスのメタンガス濃度の変動が発生した場合、その影響により改質器２の燃焼器２ａによる発熱量も変動し、改質器２における改質反応に支障を来たすことがある。
そこで、本発明の第１実施形態に係る制御部４は、消化ガスのメタンガス濃度に応じて、改質器２の燃焼器２ａに供給される消化ガスの流量を制御する。以下、この制御部４が行う制御方法について説明する。
〔第１実施形態の制御方法〕
図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法を示すフローチャートである。なお、図３に示されるように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法は、燃料電池発電装置１による発電中に継続されるループ処理において実行される。
図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法を示すフローチャートである。なお、図３に示されるように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法は、燃料電池発電装置１による発電中に継続されるループ処理において実行される。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法では、初めに、メタン濃度計１８が、燃料電池発電装置１に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定する（ステップＳ１）。そして、メタン濃度計１８により測定された消化ガス中のメタンガス濃度は、制御部４に送信される。
次に、本発明の第１実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、制御部４が、受信した消化ガス中のメタンガス濃度に基づき、消化ガスの燃焼により発熱量を算出する（ステップＳ２）。
ここで、消化ガスの発熱量は、メタンガス濃度をＸ(%)としたときに、下記（式１）により算出される。
消化ガス発熱量（MJ/m3）
＝メタンガス濃度(%)×メタンガス燃焼熱LHV（kJ/mol）×1000（L/m3）÷24.414（Ｌ/mol）
＝Ｘ(%)×802.91×1000（L/m3）÷24.414（Ｌ/mol） ・・・（式１）
消化ガス発熱量（MJ/m3）
＝メタンガス濃度(%)×メタンガス燃焼熱LHV（kJ/mol）×1000（L/m3）÷24.414（Ｌ/mol）
＝Ｘ(%)×802.91×1000（L/m3）÷24.414（Ｌ/mol） ・・・（式１）
次に、制御部４は、上述のように算出した消化ガス発熱量が所望の値となるように、消化ガスの供給量を制御する（ステップＳ３）。すなわち、制御部４は、流量調節弁１４へ制御信号を送信することにより、流量調節弁１４を通過する単位時間当たりの消化ガスの流量を制御する。
なお、消化ガス発熱量の所望の値は、燃料電池発電装置１の発電量に基づいて決定される。すなわち、燃料電池発電装置１の発電量に従い燃料電池セルスタック３で消費される水素ガスの量が定まり、消費される水素ガスの量に従い改質反応の量が定まり、改質反応の量に従い吸熱量が定まる。したがって、制御部４は、燃料電池発電装置１の発電量に基づいて消化ガス発熱量の所望の値を定めるのである。
本発明の第１実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、以上のような処理が燃料電池発電装置１の発電中に継続して行われる。
〔第２実施形態の装置構成〕
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置およびその制御方法について説明する。なお、以下の第２実施形態の説明では、第１実施形態と共通の構成要素については、同一の参照符号を付すことにより説明を適宜省略するものとする。
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置およびその制御方法について説明する。なお、以下の第２実施形態の説明では、第１実施形態と共通の構成要素については、同一の参照符号を付すことにより説明を適宜省略するものとする。
図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。図４に示されるように、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置１は、主要構成要素として、改質器２と燃料電池セルスタック３と制御部４とを備える。改質器２は、燃料ガス及び水を原料として改質触媒により水素を主成分とする改質ガスを生成する装置である。燃料電池セルスタック３は、改質器２から供給された水素とおよび空気中の酸素とから電力を発生させる装置である。制御部４は、燃料電池発電装置１の各構成要素を制御するための制御装置である。
本発明の第２実施形態に係る改質器２は、改質ガスを生成するための燃料ガスと、燃焼のための燃焼ガスとを必要とする。また、本発明の第２実施形態に係る改質器２は、燃料ガスとして消化ガスと都市ガスとを併用する構成である。さらに、本発明の第２実施形態に係る改質器２は、燃焼ガスとして消化ガスと都市ガスとを併用する構成である。したがって、本発明の第２実施形態に係る改質器２は、消化ガス用の改質系統５と、都市ガス用の改質系統６と、消化ガス用の燃焼系統７と、都市ガス用の燃焼系統８と、が接続されている。
消化ガス用の改質系統５により供給される消化ガスと、都市ガス用の改質系統６により供給される都市ガスとは、改質器２に送入される際に併合され、燃料ガスととして改質器２の改質室２ｄ（図２参照）に供給される。消化ガス用の燃焼系統７により供給される消化ガスと、都市ガス用の燃焼系統８により供給される都市ガスとは、燃料ガスとして燃焼器２ａ（図２参照）に供給される。
消化ガス用の改質系統５は、燃料電池発電装置１の外部の消化ガス用タンクから、開閉弁９と、脱硫器１０と、流量調節弁１１とを介して、消化ガスを改質器２の改質室２ｄに送入するためのパイプラインである。都市ガス用の改質系統６は、燃料電池発電装置１の外部の都市ガス用タンクまたは商用供給パイプラインから、開閉弁１２と、流量調節弁１３と、を介して、都市ガスを改質器２の改質室２ｄへ送入するためのパイプラインである。消化ガス用の改質系統５および都市ガス用の改質系統６の各構成要素は、図１に示された各構成要素と共通の構成要素である。
消化ガス用の燃焼系統７は、燃料電池発電装置１の外部の消化ガス用タンクから、開閉弁９と、脱硫器１０と、切換弁１５ａとを介して、消化ガスを改質器２の燃焼器２ａに送入するためのパイプラインである。
都市ガス用の燃焼系統８は、燃料電池発電装置１の外部の都市ガス用タンクまたは商用供給パイプラインから、開閉弁１２と、切換弁１５ｂと、を介して、都市ガスを改質器２の燃焼器２ａに送入するためのパイプラインである。
消化ガス用の燃焼系統７に設けられた切換弁１５ａと都市ガス用の燃焼系統８に設けられた切換弁１５ａとは、相互に連関して開閉し、改質器２に供給される燃焼ガスとして消化ガスまたは都市ガスを用いるかを選択する構成である。
制御部４は、発電電力および使用電力に基づいて、消化ガスおよび都市ガスの流入量の制御および消化ガスと都市ガスとの切換制御を実行するためのユニットである。また、制御部４は、流入量の制御および切換制御を実行するために、燃料電池発電装置１が発電して外部に送電する発電電力を発電電力モニター１７によって取得し、燃料電池発電装置１に供給される消化ガス中のメタンガス濃度をメタン濃度計１８によって取得し、さらに燃料電池発電装置１を配置するプラント（例えば下水処理場）で現在使用されている使用電力を負荷監視手段１９によって取得する。
制御部４は、上述のように取得した使用電力と発電電力との差に基づいて、流量調節弁１１および流量調節弁１３の開度を調整する。すなわち、燃料電池発電装置１の発電電力を増加減させるために、改質器２に供給される燃料ガスの供給量を制御する。改質器２に供給される燃料ガスの供給量を制御するためには、消化ガスの供給量を制御する方法と、都市ガスの供給量を制御する方法とがあるが、使用電力と発電電力との差を縮小するために行う制御においては、都市ガスの供給量を制御する方法を優先することが好ましい。消化ガスの発生量は、燃料電池発電装置の出力とは関係なく、下水浄化施設の運転条件により定まるからである。したがって、消化ガスの時間当たりの消費量を一定の範囲内にすることは、消化ガスの効率良い消費に寄与する。
一方、制御部４は、上述のようにメタン濃度計１８によって取得した消化ガス中のメタンガス濃度に基づいて、切換弁１５ａおよび切換弁１５ｂの切換制御を行う。すなわち、制御部４は、改質器２に供給される燃焼ガスとして消化ガスまたは都市ガスを用いるかの切換えを行う。
下水処理施設の消化過程で発生する消化ガス中のメタンガス濃度は、一般的に６０％程度とされているが、消化処理における何らかの要因で消化ガス中のメタンガス濃度が変動することがある。特に、生ゴミを投入することを可能にする消化設備においては、消化ガスのメタンガス濃度の変動が発生しやすい。そして、消化ガスのメタンガス濃度の変動が発生した場合、その影響により改質器２の燃焼器２ａによる発熱量も変動し、場合によっては着火が不能となることもある。
そこで、本発明の第２実施形態に係る制御部４は、消化ガスのメタンガス濃度に応じて、改質器２の燃焼器２ａに供給される消化ガスと都市ガスとを切換える。以下、この制御部４が行う制御方法について説明する。
〔第２実施形態の制御方法〕
図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法を示すフローチャートである。なお、図５に示されるように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法は、燃料電池発電装置１による発電中に継続されるループ処理において実行される態様でもよく、燃料電池発電装置１の起動時などより発熱量を必要とするタイミングで実行される態様でもよい。
図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法を示すフローチャートである。なお、図５に示されるように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法は、燃料電池発電装置１による発電中に継続されるループ処理において実行される態様でもよく、燃料電池発電装置１の起動時などより発熱量を必要とするタイミングで実行される態様でもよい。
本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、初めに、メタン濃度計１８が、燃料電池発電装置１に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定する（ステップＳ４）。そして、メタン濃度計１８により測定された消化ガス中のメタンガス濃度は、制御部４に送信される。
その後、制御部４は、測定された消化ガス中のメタンガス濃度に基づいて、消化ガスでの燃焼の可否を判断する（ステップＳ５）。具体的な判断方法としては、例えば、制御部４が測定された消化ガス中のメタンガス濃度とメタンガス濃度の規定値とを比較する方法が考えられる。測定された消化ガス中のメタンガス濃度がメタンガス濃度の規定値より低い場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、制御部４は、切換弁１５ａおよび切換弁１５ｂに切換制御に係る制御信号を送信し、改質器２に供給される燃焼ガスを消化ガスから都市ガスへ切換える（ステップＳ６）。一方、測定された消化ガス中のメタンガス濃度がメタンガス濃度の規定値より高い場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、切換制御を行わずに燃焼ガスとして消化ガスを用いた燃料電池発電装置１の運転が行われる。
以上のように、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、消化ガスと都市ガスとを切換えて燃焼ガスとして用いることにより、消化ガス中のメタンガス濃度の変動による着火不良などトラブルを回避することができる。
〔第３実施形態の装置構成〕
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置およびその制御方法について説明する。なお、以下の第３実施形態の説明では、第１実施形態および第２実施形態と共通の構成要素については、同一の参照符号を付すことにより説明を適宜省略するものとする。
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置およびその制御方法について説明する。なお、以下の第３実施形態の説明では、第１実施形態および第２実施形態と共通の構成要素については、同一の参照符号を付すことにより説明を適宜省略するものとする。
図６は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。図６に示されるように、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置１は、主要構成要素として、改質器２と燃料電池セルスタック３と制御部４とを備える。改質器２は、燃料ガス及び水を原料として改質触媒により水素を主成分とする改質ガスを生成する装置である。燃料電池セルスタック３は、改質器２から供給された水素とおよび空気中の酸素とから電力を発生させる装置である。制御部４は、燃料電池発電装置１の各構成要素を制御するための制御装置である。
本発明の第３実施形態に係る改質器２は、改質ガスを生成するための燃料ガスと、燃焼のための燃焼ガスとを必要とする。また、本発明の第３実施形態に係る改質器２は、燃料ガスとして消化ガスと都市ガスとを併用する構成である。さらに、本発明の第２実施形態に係る改質器２は、燃焼ガスとして消化ガスと都市ガスとを併用する構成である。したがって、本発明の第２実施形態に係る改質器２は、消化ガス用の改質系統５と、都市ガス用の改質系統６と、消化ガス用の燃焼系統７と、都市ガス用の燃焼系統８と、が接続されている。
消化ガス用の改質系統５により供給される消化ガスと、都市ガス用の改質系統６により供給される都市ガスとは、改質器２に送入される際に併合され、燃料ガスととして改質器２の改質室２ｄ（図２参照）に供給される。消化ガス用の燃焼系統７により供給される消化ガスと、都市ガス用の燃焼系統８により供給される都市ガスとは、燃料ガスとして燃焼器２ａ（図２参照）に供給される。
消化ガス用の改質系統５は、燃料電池発電装置１の外部の消化ガス用タンクから、開閉弁９と、脱硫器１０と、流量調節弁１１とを介して、消化ガスを改質器２の改質室２ｄに送入するためのパイプラインである。都市ガス用の改質系統６は、燃料電池発電装置１の外部の都市ガス用タンクまたは商用供給パイプラインから、開閉弁１２と、流量調節弁１３と、を介して、都市ガスを改質器２の改質室２ｄへ送入するためのパイプラインである。消化ガス用の改質系統５および都市ガス用の改質系統６の各構成要素は、図１に示された各構成要素と共通の構成要素である。
消化ガス用の燃焼系統７は、燃料電池発電装置１の外部の消化ガス用タンクから、開閉弁９と、脱硫器１０と、流量調節弁１４と、切換弁１５ａとを介して、消化ガスを改質器２の燃焼器２ａに送入するためのパイプラインである。
都市ガス用の燃焼系統８は、燃料電池発電装置１の外部の都市ガス用タンクまたは商用供給パイプラインから、開閉弁１２と、切換弁１５ｂと、を介して、都市ガスを改質器２の燃焼器２ａに送入するためのパイプラインである。
消化ガス用の燃焼系統７に設けられた切換弁１５ａと都市ガス用の燃焼系統８に設けられた切換弁１５ａとは、相互に連関して開閉し、改質器２に供給される燃焼ガスとして消化ガスまたは都市ガスを用いるかを選択する構成である。また、消化ガス用の燃焼系統７に設けられた流量調節弁１４と切換弁１５ａとは、共通構成とすることも可能である。すなわち、切換弁１５ａを消化ガスの流入を開閉するのみならず、流量を調整することができるように構成することにより、流量調節弁１４と切換弁１５ａとを共通構成とすることができる。
制御部４は、発電電力および使用電力に基づいて、消化ガスおよび都市ガスの流入量の制御および消化ガスと都市ガスとの切換制御を実行するためのユニットである。また、制御部４は、流入量の制御および切換制御を実行するために、燃料電池発電装置１が発電して外部に送電する発電電力を発電電力モニター１７によって取得し、燃料電池発電装置１に供給される消化ガス中のメタンガス濃度をメタン濃度計１８によって取得し、さらに燃料電池発電装置１を配置するプラント（例えば下水処理場）で現在使用されている使用電力を負荷監視手段１９によって取得する。
制御部４は、上述のように取得した使用電力と発電電力との差に基づいて、流量調節弁１１および流量調節弁１３の開度を調整する。すなわち、燃料電池発電装置１の発電電力を増加減させるために、改質器２に供給される燃料ガスの供給量を制御する。改質器２に供給される燃料ガスの供給量を制御するためには、消化ガスの供給量を制御する方法と、都市ガスの供給量を制御する方法とがあるが、使用電力と発電電力との差を縮小するために行う制御においては、都市ガスの供給量を制御する方法を優先することが好ましい。消化ガスの発生量は、燃料電池発電装置の出力とは関係なく、下水浄化施設の運転条件により定まるからである。したがって、消化ガスの時間当たりの消費量を一定の範囲内にすることは、消化ガスの効率良い消費に寄与する。
一方、制御部４は、上述のようにメタン濃度計１８によって取得した消化ガス中のメタンガス濃度に基づいて、流量調節弁１４の開度の調整および切換弁１５ａと切換弁１５ｂとの切換えを行う。すなわち、制御部４は、改質器２の燃焼器２ａによる発熱量を増加減させるために、燃焼器２ａに供給される消化ガスの供給量を制御し、さらに、改質器２に供給される燃焼ガスとして消化ガスまたは都市ガスを用いるかの切換えを行う。
下水処理施設の消化過程で発生する消化ガス中のメタンガス濃度は、一般的に６０％程度とされているが、消化処理における何らかの要因で消化ガス中のメタンガス濃度が変動することがある。特に、生ゴミを投入することを可能にする消化設備においては、消化ガスのメタンガス濃度の変動が発生しやすい。そして、消化ガスのメタンガス濃度の変動が発生した場合、その影響により改質器２の燃焼器２ａによる発熱量も変動し、改質器２における改質反応に支障を来たすことがあり、場合によっては着火が不能となることもある。
そこで、本発明の第２実施形態に係る制御部４は、消化ガスのメタンガス濃度に応じて、起動時に改質器２の燃焼器２ａに供給される消化ガスと都市ガスとを切換え、発電中に改質器２の燃焼器２ａに供給される消化ガスの流量を制御する。以下、この制御部４が行う制御方法について説明する。
〔第３実施形態の制御方法〕
図７は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法を示すフローチャートである。
図７は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御方法を示すフローチャートである。
本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、初めに、メタン濃度計１８が、燃料電池発電装置１に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定する（ステップＳ７）。そして、メタン濃度計１８により測定された消化ガス中のメタンガス濃度は、制御部４に送信される。
その後、制御部４は、測定された消化ガス中のメタンガス濃度に基づいて、消化ガスでの起動の可否を判断する（ステップＳ８）。具体的な判断方法としては、例えば、制御部４が測定された消化ガス中のメタンガス濃度とメタンガス濃度の規定値とを比較する方法が考えられる。測定された消化ガス中のメタンガス濃度がメタンガス濃度の規定値より低い場合（ステップＳ８；Ｎｏ）、制御部４は、切換弁１５ａおよび切換弁１５ｂに切換制御に係る制御信号を送信し、改質器２に供給される燃焼ガスを消化ガスから都市ガスへ切換える（ステップＳ９）。そして、都市ガスを用いて改質器２の燃焼器２ａが着火される（ステップＳ１０）。
一方、測定された消化ガス中のメタンガス濃度がメタンガス濃度の規定値より高い場合（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、切換制御を行わずに燃焼ガスとして消化ガスを用いて改質器２の燃焼器２ａが着火される（ステップＳ１０）。
その後、制御部４は、改質器２に供給される燃焼ガスを都市ガスから消化ガスへ切換える（ステップＳ１１）。なお、ステップＳ９を経由せず、消化ガスを用いて改質器２の燃焼器２ａが着火された場合、この切換えを実行する必要がない。また、燃焼ガスを都市ガスから消化ガスへ切換えるタイミングは、燃焼器２ａの着火後すぐでもよく、一定の時間経過後でもよい。例えば、改質器２が改質反応の反応温度にまで昇温するまでは、燃焼ガスとして都市ガスを用い、定温状態に移ってから都市ガスから消化ガスへ切換える方法が考えられる。
その後、本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御は、燃料電池発電装置１の発電中におけるループ処理へ移行する。
このループ処理において、メタン濃度計１８は、燃料電池発電装置１に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定する（ステップＳ１２）。そして、メタン濃度計１８により測定された消化ガス中のメタンガス濃度は、制御部４に送信される。
次に、制御部４が、受信した消化ガス中のメタンガス濃度に基づき、消化ガスの燃焼により発熱量を算出する（ステップＳ１３）。ここで、消化ガスの発熱量は、先述の（式１）により算出される。
次に、制御部４は、上述のように算出した消化ガス発熱量が所望の値となるように、消化ガスの供給量を制御する（ステップＳ１４）。すなわち、制御部４は、流量調節弁１４へ制御信号を送信することにより、流量調節弁１４を通過する単位時間当たりの消化ガスの流量を制御する。
本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、以上のステップＳ１２〜Ｓ１４の処理が燃料電池発電装置１の発電中に継続して行われる。
以上より、本発明の燃料電池発電装置１は、改質ガスに改質するための燃料ガスを供給する改質系統と燃焼に用いるための燃焼ガスを供給する燃焼系統とが接続された改質器２と、改質器２によって改質された改質ガスを用いて発電する燃料電池セルスタック３と、燃焼系統に燃焼ガスとして消化ガスを供給する消化ガス用の燃焼系統７と、消化ガス用の燃焼系統７に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計１８と、メタン濃度計１８によって測定されたメタンガス濃度に基づいて、消化ガス用の燃焼系統７から供給される消化ガスの流量を制御する制御部４とを備えるので、消化ガス中のメタンガス濃度の変動が改質器の作動に影響を与えず、発電に用いる燃料ガスにのみならず、改質器の昇温にも消化ガスを利用することができる。
また、本発明の燃料電池発電装置１は、改質ガスに改質するための燃料ガスを供給する改質系統と燃焼に用いるための燃焼ガスを供給する燃焼系統とが接続された改質器２と、改質器２によって改質された改質ガスを用いて発電する燃料電池セルスタック３と、燃焼系統に燃焼ガスとして消化ガスを供給する消化ガス用の燃焼系統７と、燃焼系統に燃焼ガスとして都市ガスを供給する都市ガス用の燃焼系統８と、消化ガス用の燃焼系統に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計１８と、メタン濃度計１８によって測定されたメタンガス濃度に基づいて、燃焼系統に燃焼ガスとして消化ガスまたは都市ガスのいづれかを供給するかを切換える制御をする制御部４とを備えるので、消化ガス中のメタンガス濃度の変動が改質器の作動に影響を与えず、発電に用いる燃料ガスにのみならず、改質器の昇温にも消化ガスを利用することができる。
さらに、本発明の燃料電池発電装置１は、改質系統に燃料ガスとして消化ガスを供給する消化ガス用の改質系統５と、改質系統に燃料ガスとして都市ガスを供給する都市ガス用の改質系統６とを備え、制御部４は、さらに消化ガス用の改質系統５から供給される消化ガスの流量と、都市ガス用の改質系統６から供給される都市ガスの流量と、を制御するので、燃料ガスとして消化ガスを用いる観点からも、消化ガスを有効利用することができる。
１ 燃料電池発電装置
２ 改質器
３ 燃料電池セルスタック
４ 制御部
５ 消化ガス用の改質系統
６ 都市ガス用の改質系統
７ 消化ガス用の燃焼系統
８ 都市ガス用の燃焼系統
９ 開閉弁
１０ 脱硫器
１１ 流量調節弁
１２ 開閉弁
１３ 流量調節弁
１４ 流量調節弁
１５ａ，１５ｂ 切換弁
１６ ＣＯ変成器
１７ 発電電力モニター
１８ メタン濃度計
１９ 負荷監視手段
２ 改質器
３ 燃料電池セルスタック
４ 制御部
５ 消化ガス用の改質系統
６ 都市ガス用の改質系統
７ 消化ガス用の燃焼系統
８ 都市ガス用の燃焼系統
９ 開閉弁
１０ 脱硫器
１１ 流量調節弁
１２ 開閉弁
１３ 流量調節弁
１４ 流量調節弁
１５ａ，１５ｂ 切換弁
１６ ＣＯ変成器
１７ 発電電力モニター
１８ メタン濃度計
１９ 負荷監視手段
Claims (3)
- 改質ガスに改質するための燃料ガスを供給する改質系統と燃焼に用いるための燃焼ガスを供給する燃焼系統とが接続された改質器と、
前記改質器によって改質された改質ガスを用いて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃焼系統に燃焼ガスとして消化ガスを供給する消化ガス用の燃焼系統と、
前記燃焼系統に燃焼ガスとして都市ガスを供給する都市ガス用の燃焼系統と、
前記消化ガス用の燃焼系統に供給される消化ガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計と、
前記メタン濃度計によって測定されたメタンガス濃度に基づいて、前記燃焼系統に燃焼ガスとして消化ガスまたは都市ガスのいづれかを供給するかを切換える制御をする制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。 - 前記改質系統に燃料ガスとして消化ガスを供給する消化ガス用の改質系統と、
前記改質系統に燃料ガスとして都市ガスを供給する都市ガス用の改質系統と、
をさらに備え、
前記制御部は、さらに前記消化ガス用の改質系統から供給される消化ガスの流量と、前記都市ガス用の改質系統から供給される都市ガスの流量と、を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。 - 消化ガスと都市ガスとを併用する燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記消化ガス中のメタンガス濃度を測定する濃度測定ステップと、
前記メタンガス濃度に基づいて、前記消化ガスによる燃焼の可否を判断する判断ステップと、
前記判断ステップが否の場合に、改質器の燃焼器に供給される燃焼ガスを消化ガスから都市ガスへ切換える切換ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
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