(57)【要約】【課題】下水処理施設から回収できる消化ガスを余すことなく利用し、かつ、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。【解決手段】本発明の燃料電池発電装置１は、消化ガス用のガス引き込み系統５と都市ガス用のガス引き込み系統６とを有し、水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する改質器２と、改質器２によって生成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、燃料電池セルスタック３によって発電された発電電力を計測する発電電力モニター１１と、燃料電池セルスタック３によって発電された発電電力が供給される負荷の現在の使用電力を計測する負荷監視手段１２と、発電電力と使用電力とに基づいて、都市ガス用のガス引き込み系統６から供給される都市ガスの流量を制御する制御部４とを備える。【選択図】図１
2013048084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消化ガス用のガス引き込み系統と都市ガス用のガス引き込み系統とを有し、消化ガスおよび都市ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器によって生成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、
前記燃料電池セルスタックによって発電された発電電力を計測する発電電力モニターと、
前記燃料電池セルスタックによって発電された発電電力が供給される負荷の現在の使用電力を計測する負荷監視手段と、
前記発電電力モニターによって計測された前記発電電力と前記負荷監視手段によって計測された前記使用電力とに基づいて、前記都市ガス用のガス引き込み系統から供給される都市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燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記発電電力と前記使用電力との差が所定の設定値以上となるように前記都市ガス用のガス引き込み系統から供給される都市ガスの流量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。
【請求項３】
前記制御部は、前記発電電力と前記使用電力との差が所定の設定値以上となる状態が所定時間以上継続した場合に、前記都市ガス用のガス引き込み系統から供給される都市ガスの流量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記消化ガス用のガス引き込み系統は、メタンガスの濃度を測定するメタン濃度計を備え、
前記制御部は、前記メタン濃度計により測定されたメタンガスの濃度に基づいて、前記消化ガスにより発電される発電電力の変動分を算出し、前記消化ガスにより発電される発電電力の変動分を補償するように前記都市ガス用のガス引き込み系統から供給される都市ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記消化ガス用のガス引き込み系統は、メタンガスの濃度を測定するメタン濃度計を備え、
前記制御部は、前記メタン濃度計により測定されたメタンガスの濃度に基づいて、前記消化ガスにより発電される発電電力の変動分を算出し、前記消化ガスにより発電される発電電力の変動分を補償するように前記消化ガス用のガス引き込み系統から供給される消化ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
消化ガスと都市ガスとを燃料電池の燃料として併用する燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記消化ガスと前記都市ガスとを改質した改質ガスにより発電する燃料電池セルスタックによって発電された発電電力を計測する発電電力監視ステップと、
前記燃料電池セルスタックによって発電された発電電力が供給される負荷の現在の使用電力を計測する負荷監視ステップと、
前記発電電力監視ステップによって計測された前記発電電力と前記負荷監視ステップによって計測された前記使用電力とに基づいて、前記燃料電池セルスタックに改質ガスを供給する改質器へ送入する都市ガスの流量を制御する都市ガス流量制御ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項７】
前記都市ガス流量制御ステップは、前記発電電力と前記使用電力との差が所定の設定値以上となるように前記改質器へ送入する都市ガスの流量を制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項８】
前記都市ガス流量制御ステップは、前記発電電力と前記使用電力との差が所定の設定値以上となる状態が所定時間以上継続した場合に、前記改質器へ送入する都市ガスの流量を増加させるように制御することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項９】
前記消化ガスに含まれるメタンガスの濃度を測定する濃度測定ステップと、
前記濃度測定ステップにより測定されたメタンガスの濃度に基づいて、前記消化ガスにより発電される発電電力の変動分を算出する変動算出ステップと、
前記消化ガスにより発電される発電電力の変動分を補償するように改質器へ送入する都市ガスの流量を制御する都市ガス補償ステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項６〜８の何れか一つに記載の燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項１０】
前記消化ガスに含まれるメタンガスの濃度を測定する濃度測定ステップと、
前記濃度測定ステップにより測定されたメタンガスの濃度に基づいて、前記消化ガスにより発電される発電電力の変動分を算出する変動算出ステップと、
前記消化ガスにより発電される発電電力の変動分を補償するように改質器へ送入する消化ガスの流量を制御する消化ガス補償ステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項６〜８の何れか一つに記載の燃料電池発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、消化ガスのみならず都市ガスなどの組成が異なる原燃料を切り替え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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２８２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、異なる組成の原燃料を切り替えて使用するためのものであり、異なる組成の原燃料を併用することができなかった。そのため、消化ガスと都市ガスとを併用して燃料電池を恒常的に運転するために適した技術ではない。
【０００７】
例えば、燃料電池発電装置の設備投資を回収するためには発電能力を最大限に稼動したいという要求があるが、下水処理施設から回収できる消化ガスの量は、一般に燃料電池の最大発電能力を満たすものではない。一方、下水処理施設から回収できる消化ガスは、調達コストがほとんどかからないので、消化ガスを最大限に活用したいという要求もある。これら要求に対して、特許文献１に記載の技術では応えることができない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、下水処理施設から回収できる消化ガスを余すことなく利用し、かつ、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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、消化ガス用のガス引き込み系統と都市ガス用のガス引き込み系統とを有し、消化ガスおよび都市ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、前記改質器によって生成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、前記燃料電池セルスタックによって発電された発電電力を計測する発電電力モニターと、前記燃料電池セルスタックによって発電された発電電力が供給される負荷の現在の使用電力を計測する負荷監視手段と、前記発電電力モニターによって計測された前記発電電力と前記負荷監視手段によって計測された前記使用電力とに基づいて、前記都市ガス用のガス引き込み系統から供給される都市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。
【００１０】
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、燃料電池セルスタックによって発電された発電電力を計測する発電電力監視ステップと、前記燃料電池セルスタックによって発電された発電電力が供給される負荷の現在の使用電力を計測する負荷監視ステップと、前記発電電力監視ステップによって計測された前記発電電力と前記負荷監視ステップによって計測された前記使用電力とに基づいて、前記消化ガスおよび前記都市ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成し、該改質ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する改質器へ送入する都市ガスの流量を制御する流量制御ステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
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、下水処理施設から回収できる消化ガスを余すことなく利用し、かつ、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る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料ガスの流量制御を示すフローチャートである。
【図３】図３は、燃料電池発電装置の発電電力を増加させる制御例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、燃料電池発電装置の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。
【図５】図５は、燃料電池発電装置の発電電力を減少させる制御例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、燃料電池発電装置の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。
【図７】図７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図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御を示すフローチャートである。
【図９】図９は、燃料電池発電装置の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。
【図１０】図１０は、燃料電池発電装置の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。
【図１１】図１１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図である。
【図１２】図１２は、本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、燃料電池発電装置の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。
【図１４】図１４は、燃料電池発電装置の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る燃料電池発電装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
〔第１実施形態〕
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。
【００１５】
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。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ので、消化ガス用のガス引き込み系統５と都市ガス用のガス引き込み系統６との２系統の燃料ガス引き込み系統を有する。
【００１６】
消化ガス用のガス引き込み系統５は、図示しない消化ガス用タンクから、開閉弁７ａと、流量計８ａと、流量調節弁７ｂと、脱硫器９と、を介して、消化ガスを改質器２に送入する。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９は、消化ガスからこの硫化水素を除去する装置である。
【００１７】
都市ガス用のガス引き込み系統６は、図示しない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７ｃと、流量計８ｂと、流量調節弁７ｄと、を介して、都市ガスを改質器２に引き込む。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。
【００１８】
改質器２によって生成された改質ガスは、ＣＯ変成器１０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１０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１０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。
【００１９】
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。
【００２０】
ＣＯ変成器１０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。
【００２１】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−    ・・・（１）
空気極：２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ    ・・・（２）
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、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１１によって監視し、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取得する。このために、燃料電池発電装置１を配置するプラントには、使用電力を監視するための負荷監視手段１２が設けられている。
【００２５】
一方、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７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度を調整する。なお、流量調節弁７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度とガスの流量は必ずしも線形とはならないので、制御部４は、流量計８ａおよび流量計８ｂの値を監視しつつ流量調節弁７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度を制御する。この構成により、制御部４は、消化ガスおよび都市ガスの流量を正確かつ安定に制御することができる。
【００２６】
以下、図２を参照しながら、上記制御部４による燃料ガスの流量制御について説明する。
【００２７】
図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料ガスの流量制御を示すフローチャートである。図２に示されるように、本発明の第１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。
【００２８】
この発電中に継続されるループにおいて、制御部４は、使用電力と発電電力との差を演算する（ステップＳ１）。なお、以降の説明のため、使用電力と発電電力との差をΔＷと略記する。
【００２９】
その後、制御部４は、ΔＷが事前に設定した設定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。ΔＷが事前に設定した設定値以上である場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、制御部４は、発電電力が不足していると判断し、都市ガス用の流量調節弁７ｄの開度を増やすことにより都市ガスの流量を増やして、燃料電池発電装置１の発電電力を増やす（ステップＳ３；詳しくは後述）。一方、ΔＷが事前に設定した設定値以下である場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、制御部４は、発電電力が過剰にあると判断し、都市ガス用の流量調節弁７ｄの開度を減らすことにより都市ガスの流量を減らして、燃料電池発電装置１の発電電力を減らす（ステップＳ４；詳しくは後述）。
【００３０】
このように、本発明の第１実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、使用電力が変動した場合、消化ガスの流量を一定に保ちながら都市ガスの流量を変動させる。すなわち、本発明の第１実施形態に係る燃料ガスの流量制御は、後に詳述するように、消化ガスによる発電電力をベース電力として使用し、その不足分を都市ガスを用いて発電を行う制御を行っている。
【００３１】
また、本発明の第１実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、使用電力と発電電力との比較ではなく、使用電力と発電電力との間にオフセットを設けて、安定的に発電電力が使用電力を下回るように設計している。これは、燃料電池発電装置１が設置される構内から商用電力系統へ向かう電力潮流（逆潮流）が発生しないように設計しているためである。したがって、逆潮流が発生しても良い環境では、上記のような設定以外による燃料電池発電装置１の運転も可能である。
【００３２】
図３は、上記ステップＳ３における、燃料電池発電装置１の発電電力を増加させる制御例を示すフローチャートである。
【００３３】
図３に示される発電電力を増加させる制御例は、制御部４が、ΔＷが設定値以上になった時刻からの継続時間をカウントすることから始まる（ステップＳ３１）。そして、制御部４は、この継続時間が設定時間を越えているか否かによって、ΔＷが設定値以上になっている継続時間が設定時間を越えているかを判断する（ステップＳ３２）。
【００３４】
継続時間が設定時間を越えている場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、制御部４は、都市ガス用の流量調節弁７ｄの開度を増やすための制御信号を流量調節弁７ｄに送信する（ステップＳ３３）。これにより、改質器２に流入する燃料ガスの量が増加し、結果、燃料電池発電装置１の発電電力が増加される。一方、継続時間が設定時間を越えていない場合（ステップＳ３２：Ｎｏ）、当該サブフローを終了し、メインの制御処理に戻りΔＷの監視を継続する（図２参照）。
【００３５】
図３に示される発電電力を増加させる制御例では、一定の継続時間でΔＷが設定値以上になっている場合のみ、燃料電池発電装置１の発電電力を増やす制御を行うので、一時的に使用電力が増加した場合に、誤って発電電力を増加制御してしまい逆潮流を発生してしまう危険性が低減できる。
【００３６】
図４は、上述の発電電力を増加させる制御例に従い、燃料電池発電装置１の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。図４における横軸は時間軸であり、縦軸は電力である。本実施例では、消化ガスによる発電電力を３０ｋＷに設定している。この消化ガスによる発電電力はベース電力として使用され、燃料電池発電装置１の発電中は原則として一定に保たれる。一方、本実施例では、使用電力と発電電力との差であるΔＷを５０ｋＷに設定している。
【００３７】
図４に示されるように、本実施例における使用電力は、増加傾向を有する。具体的には、時刻ｔ０のときには１００ｋＷであり、その後も徐々に増加を継続し１２０ｋＷ以上になる。一方、ΔＷが５０ｋＷであるので、時刻ｔ０のときの燃料電池発電装置１の総発電電力は５０ｋＷ（＝１００ｋＷ−５０ｋＷ）とするのが最適である。つまり、総発電電力の５０ｋＷから消化ガスによるベース電力としての発電電力の３０ｋＷを引いた発電電力２０ｋＷが、都市ガスによって発電すべき発電電力であると導かれる。
【００３８】
図４に示される実施例では、使用電力が時刻ｔ０の後も増加しているので、消化ガスによる３０ｋＷの発電電力と都市ガスによる２０ｋＷの発電電力では、燃料電池発電装置１が発電すべき総発電電力が不足していく。そこで、都市ガスによる発電電力を増加させるのであるが、時刻ｔ０の時点で都市ガスによる発電電力を増加させてしまうと、発電電力の増加分が使用電力の増加分を上回ってしまい、その結果、ΔＷが５０ｋＷを下回ってしまう。よって、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の発電電力を増加させる制御例では、ΔＷが５０ｋＷを上回っている状態が継続して３０分間である場合に、都市ガスによる発電電力を増加させる制御を行う。
【００３９】
上記のように制御することにより、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電装置１の発電電力を増加させる制御例では、安定的にΔＷが５０ｋＷを下回った状態で運用できるので、逆潮流が発生することを抑制できる。
【００４０】
図５は、上記ステップＳ４における、燃料電池発電装置１の発電電力を減少させる制御例を示すフローチャートである。また、図６は、この発電電力を減少させる制御例に従い、燃料電池発電装置１の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。なお、本実施例でも図４に示した実施例と同様に、消化ガスによる発電電力は３０ｋＷに設定し、ΔＷを５０ｋＷに設定している。
【００４１】
図５に示されるように、本実施例における燃料電池発電装置１の発電電力を減らす制御例は、都市ガス用の流量調節弁７ｄの開度を減らすことにより実行する（ステップＳ４１）。すなわち、図５に示される発電電力を減少させる制御例は、図３に示された発電電力を増加させる制御例とは異なり、一定の継続期間後に制御を実行する方式をとらない。これは、発電電力を増加させる制御とは異なり、発電電力を減少させる制御では、すぐに制御を開始しても逆潮流が発生するおそれがないからである。
【００４２】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
【００４３】
下水処理施設の消化過程で発生する消化ガス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メタン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が変動した場合、燃料電池発電装置１が発電するベース電力が変動することになる。
【００４４】
そこで、本発明の第２実施形態では、以下に説明するように、都市ガスの供給量を制御することにより、燃料電池発電装置１が発電するベース電力の変動を抑制する。
【００４５】
図７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図である。図７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。なお、本発明の第２実施形態に係る改質器２および燃料電池セルスタック３は、本発明の第１実施形態に係る改質器２および燃料電池セルスタック３と同じ構成であるので、ここでは説明を省略する。
【００４６】
一方、図７に示されるように、本発明の第２実施形態に係る消化ガス用のガス引き込み系統５は、図示しない消化ガス用タンクから、メタン濃度計１３と、開閉弁７ａと、流量計８ａと、流量調節弁７ｂと、脱硫器９と、を介して、消化ガスを改質器２に送入する。また、都市ガス用のガス引き込み系統６は、図示しない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７ｃと、流量計８ｂと、流量調節弁７ｄと、を介して、都市ガスを改質器２に引き込む。なお、図７では、メタン濃度計１３が燃料電池発電装置１の内部に設けられているように示されているが、メタン濃度計１３を燃料電池発電装置１の外部の消化ガス用タンクに設ける構成としてもよい。
【００４７】
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る。さらに、制御部４は、メタン濃度計１３により測定された消化ガスのメタン濃度に基づいて都市ガスの流入量を制御する。したがって、制御部４は、以下のような構成を有する。
【００４８】
制御部４は、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１１によって監視し、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取得する。このために、燃料電池発電装置１を配置するプラントには、使用電力を監視するための負荷監視手段１２が設けられている。さらに、制御部４は、消化ガスのメタン濃度に基づいて都市ガスの流入量を制御するために、メタン濃度計１３により測定された測定値を取得する入力段を有する。
【００４９】
一方、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７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度を調整する。なお、流量調節弁７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度とガスの流量は必ずしも線形とはならないので、制御部４は、流量計８ａおよび流量計８ｂの値を監視しつつ流量調節弁７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度を制御する。この構成により、制御部４は、消化ガスおよび都市ガスの流量を正確かつ安定に制御することができる。
【００５０】
次に、図８を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御について説明する。
【００５１】
図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御を示すフローチャートである。なお、図８に示されるように、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、図２のフローチャートに示された燃料ガスの流量制御と並列的に実行されるものである。
【００５２】
本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御は、発電中に継続されるループにおいて、メタン濃度計１３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濃度を測定する（ステップＳ５１）。そして、メタン濃度計１３により測定された消化ガス中のメタン濃度は、制御部４に送信される。
【００５３】
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御では、制御部４が、受信した消化ガス中のメタン濃度に基づき、消化ガスにより発電される電力を算出する（ステップＳ５２）。
【００５４】
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、下式により算出される。
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）
【００５５】
したがって、この消化ガス発熱量に燃料電池発電装置１の変換効率係数（一般に４０％といわれる）を乗じたものが消化ガスによる発電電力となる。
【００５６】
さらに、制御部４は、算出された消化ガスにより発電される発電電力と設定されているベース電力とを比較することにより、ベース電力の変動を算出する。そして、制御部４は、このベース電力の変動を補償するように、都市ガスの供給量を制御する（ステップＳ５３）。すなわち、制御部４は、都市ガスの流量調節弁７ｄを制御することにより、消化ガスによる発電電力の変動分を補償する。
【００５７】
なお、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御は、図２のフローチャートに示された燃料ガスの流量制御と並列的に実行されるので、消化ガスの濃度変動により発生する燃料電池発電装置１のベース電力の変動分と、負荷監視手段１２によって監視されている使用電力の変動分との両方の変動を、都市ガスの供給量制御することによって補償することになる。
【００５８】
そして、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御は、上記ステップＳ５１〜５３のループ処理を燃料電池発電装置１の発電中に継続し、燃料電池発電装置１の発電が停止したときにループ処理を終了する。
【００５９】
図９および図１０は、発電電力を増加させる制御例に従い、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電装置１の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。図９および図１０における横軸は時間軸であり、縦軸は電力である。
【００６０】
本実施例では、消化ガスによる発電電力を３０ｋＷに設定している。この消化ガスによる発電電力はベース電力として使用され、燃料電池発電装置１の発電中は一定に保たれることが望ましいが、消化ガス中のメタン濃度の変動により、消化ガスによる発電電力も変動してしまう。図９および図１０にて、その変動部分が領域Ａ１およびＡ２で表現されている。
【００６１】
本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御方法によれば、消化ガス中のメタン濃度の変動（図中領域Ａ１およびＡ２）により発生する燃料電池発電装置１のベース電力の変動分を都市ガスによる発電電力により補償することができる。図９および図１０には、使用電力の変動分とベース電力の変動分とが都市ガスによる発電電力によって補償されている様子が示されている。
【００６２】
そして、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御方法によれば、消化ガス中のメタン濃度の変動によるベース電力の変動を補償した状態で、発電量の増加制御および減少制御を行うので、より安定した発電を行うことができ、逆潮流が発生することを抑制できる。
【００６３】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について説明する。
【００６４】
本発明の第３実施形態は、第２実施形態と同様に、消化ガスのメタンガス濃度の変動に対する対応をすることができる実施形態である。しかしながら、第２実施形態は、都市ガスの供給量を制御することにより、燃料電池発電装置１が発電するベース電力の変動を抑制することに対し、第３実施形態は、消化ガスの供給量を制御することにより、燃料電池発電装置１が発電するベース電力の変動を抑制する。
【００６５】
図１１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図である。図１１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。なお、本発明の第２実施形態に係る改質器２および燃料電池セルスタック３は、本発明の第１実施形態に係る改質器２および燃料電池セルスタック３と同じ構成であるので、ここでは説明を省略する。
【００６６】
一方、図１１に示されるように、本発明の第３実施形態に係る消化ガス用のガス引き込み系統５は、図示しない消化ガス用タンクから、メタン濃度計１３と、開閉弁７ａと、流量計８ａと、流量調節弁７ｂと、脱硫器９と、を介して、消化ガスを改質器２に送入する。また、都市ガス用のガス引き込み系統６は、図示しない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７ｃと、流量計８ｂと、流量調節弁７ｄと、を介して、都市ガスを改質器２に引き込む。なお、図１１では、メタン濃度計１３が燃料電池発電装置１の内部に設けられてているように示されているが、メタン濃度計１３を燃料電池発電装置１の外部の消化ガス用タンクに設ける構成としてもよい。
【００６７】
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る。さらに、制御部４は、メタン濃度計１３により測定された消化ガスのメタン濃度に基づいて都市ガスの流入量を制御する。したがって、制御部４は、以下のような構成を有する。
【００６８】
制御部４は、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１１によって監視し、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取得する。このために、燃料電池発電装置１を配置するプラントには、使用電力を監視するための負荷監視手段１２が設けられている。さらに、制御部４は、消化ガスのメタン濃度に基づいて都市ガスの流入量を制御するために、メタン濃度計１３により測定された測定値を取得する入力段を有する。
【００６９】
一方、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７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度を調整する。なお、流量調節弁７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度とガスの流量は必ずしも線形とはならないので、制御部４は、流量計８ａおよび流量計８ｂの値を監視しつつ流量調節弁７ｂおよび流量調節弁７ｄの開度を制御する。この構成により、制御部４は、消化ガスおよび都市ガスの流量を正確かつ安定に制御することができる。
【００７０】
次に、図１２を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御について説明する。
【００７１】
図１２は、本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御を示すフローチャートである。なお、図１２に示されるように、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、図２のフローチャートに示された燃料ガスの流量制御と並列的に実行されるものである。
【００７２】
本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御は、発電中に継続されるループにおいて、メタン濃度計１３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濃度を測定する（ステップＳ６１）。そして、メタン濃度計１３により測定された消化ガス中のメタン濃度は、制御部４に送信される。
【００７３】
次に、本発明の第３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濃度に基づき、消化ガスにより発電される電力を算出する（ステップＳ６２）。
【００７４】
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、下式により算出される。
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）
【００７５】
したがって、この消化ガス発熱量に燃料電池発電装置１の変換効率係数（一般に４０％といわれる）を乗じたものが消化ガスによる発電電力となる。
【００７６】
さらに、制御部４は、算出された消化ガスにより発電される発電電力と設定されているベース電力とを比較することにより、ベース電力の変動を算出する。そして、制御部４は、このベース電力の変動を補償するように、消化ガスの供給量を制御する（ステップＳ６３）。すなわち、制御部４は、消化ガスの流量調節弁７ｂを制御することにより、消化ガス自身の発電電力の変動分を補償する。
【００７７】
なお、本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御は、図２のフローチャートに示された燃料ガスの流量制御と並列的に実行されるので、負荷監視手段１２によって監視されている使用電力の変動分を都市ガスの供給量制御することによって補償する一方で、消化ガスの濃度変動により発生する燃料電池発電装置１のベース電力の変動分を消化ガス自身の流量の変更により補償することになる。
【００７８】
そして、本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御は、上記ステップＳ６１〜６３のループ処理を燃料電池発電装置１の発電中に継続し、燃料電池発電装置１の発電が停止したときにループ処理を終了する。
【００７９】
図１３および図１４は、発電電力を増加させる制御例に従い、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電装置１の発電電力の制御を行った場合の実施例を表すグラフである。図１３および図１４における横軸は時間軸であり、縦軸は電力である。
【００８０】
本実施例では、消化ガスによる発電電力を３０ｋＷに設定している。この消化ガスによる発電電力はベース電力として使用され、燃料電池発電装置１の発電中は一定に保たれることが望ましいが、消化ガス中のメタン濃度の変動により、消化ガスによる発電電力も変動してしまう。図１３および図１４にて、その変動部分が領域Ｂ１およびＢ２で表現されている。
【００８１】
本発明の第３実施形態に係る燃料ガスの流量制御方法によれば、消化ガス中のメタン濃度の変動（図中領域Ｂ１およびＢ２）により発生する燃料電池発電装置１のベース電力の変動分を消化ガス自身の流量制御により補償することができる。図１３および図１４には、使用電力の変動分が都市ガスによる発電電力によって補償され、消化ガス中のメタン濃度の変動により発生するベース電力の変動分が消化ガス自身の流量制御により補償されている様子が示されている。
【００８２】
そして、本発明の第２実施形態に係る燃料ガスの流量制御方法によれば、消化ガス中のメタン濃度の変動によるベース電力の変動を補償した状態で、発電量の増加制御および減少制御を行うので、より安定した発電を行うことができ、逆潮流が発生することを抑制できる。
【００８３】
以上より、本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置１は、消化ガス用のガス引き込み系統５と都市ガス用のガス引き込み系統６とを有し、消化ガスおよび都市ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器２と、改質器２によって生成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、燃料電池セルスタック３によって発電された発電電力を計測する発電電力モニター１１と、燃料電池セルスタック３によって発電された発電電力が供給される負荷の現在の使用電力を計測する負荷監視手段１２と、発電電力モニター１１によって計測された発電電力と負荷監視手段１２によって計測された使用電力とに基づいて、都市ガス用のガス引き込み系統６から供給される都市ガスの流量を制御する制御部４とを備えるので、消化ガスによる発電電力はベース電力として使用し、その不足分を都市ガスを用いた発電を行うことができる。すなわち、下水処理施設から回収できる消化ガスを余すことなく利用し、かつ、燃料電池発電装置１の発電能力を最大限に利用することができる。
【００８４】
特に、本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御部４は、発電電力と使用電力との差が所定の設定値以上となるように、都市ガス用のガス引き込み系統６から供給される都市ガスの流量を制御するので、いわゆる逆潮流が発生しない制御を行うことができる。
【００８５】
さらに、本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置１の制御部４は、発電電力と使用電力との差が所定の設定値以上となる状態が所定時間以上継続した場合に、都市ガス用のガス引き込み系統６から供給される都市ガスの流量を増加させる制御を行うので、一時的な使用電力の増加の場合に誤って発電電力を増やしてしまい逆潮流を発生してしまう危険性が低減できる。
【００８６】
さらに、本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置１は、消化ガス用のガス引き込み系統は、メタンガスの濃度を測定するメタン濃度計１３を備え、制御部４は、メタン濃度計１３により測定されたメタンガスの濃度に基づいて、消化ガスにより発電される発電電力の変動分を算出し、消化ガスにより発電される発電電力の変動分を補償するように都市ガス用のガス引き込み系統から供給される都市ガスの流量を制御するので、消化ガスのメタンガス濃度の変動に追従した改質反応が実現され、燃料電池発電装置１の発電電力が安定する。
【００８７】
あるいは、本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置１は、消化ガス用のガス引き込み系統は、メタンガスの濃度を測定するメタン濃度計１３を備え、制御部４は、メタン濃度計１３により測定されたメタンガスの濃度に基づいて、消化ガスにより発電される発電電力の変動分を算出し、消化ガスにより発電される発電電力の変動分を補償するように消化ガス用のガス引き込み系統から供給される消化ガスの流量を制御するので、消化ガスのメタンガス濃度の変動に追従した改質反応が実現され、燃料電池発電装置１の発電電力が安定する。
【００８８】
また、本発明の実施形態に係る消化ガスと都市ガスとを燃料電池の燃料として併用する燃料電池発電装置１の制御方法は、燃料電池セルスタック３によって発電された発電電力を計測する発電電力監視ステップと、消化ガスと都市ガスとを改質した改質ガスにより発電する燃料電池セルスタック３によって発電された発電電力が供給される負荷の現在の使用電力を計測する負荷監視ステップと、発電電力監視ステップによって計測された発電電力と負荷監視ステップによって計測された使用電力とに基づいて、燃料電池セルスタック３に改質ガスを供給する改質器２へ送入する都市ガスの流量を制御する都市ガス流量制御ステップとを含むので、下水処理施設から回収できる消化ガスを余すことなく利用し、かつ、燃料電池発電装置１の発電能力を最大限に利用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
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  消化ガス用のガス引き込み系統
６  都市ガス用のガス引き込み系統
７ａ  開閉弁
７ｂ  流量調節弁
７ｃ  開閉弁
７ｄ  流量調節弁
８ａ  流量計
８ｂ  流量計
９  脱硫器
１０  ＣＯ変成器
１１  発電電力モニター
１２  負荷監視手段
１３  メタン濃度計
【図１】
2013048084.tif 000003
【図２】
2013048084.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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