(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極及び燃料極を有し、空気極に酸化剤を、燃料極に還元剤を導入して発電を行う燃料電池本体と、生物化学反応を用いて前記還元剤の原燃料を生成する原燃料生成装置と、前記原燃料生成装置にて生成された原燃料を貯蔵する原燃料貯蔵設備と、前記原燃料貯蔵設備から原燃料を導入して前記還元剤を生成すると共に、前記燃料極への前記還元剤の供給量を調整する還元剤調整設備とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記原燃料生成装置における原燃料の生成状態データを検出する生成状態データ検出手段が設けられ、
前記生成状態データを元に、あらかじめ設定された原燃料の生成量に対する原燃料の不足分を計算する演算器が設けられ、
前記原燃料貯蔵設備と並列に、予備原燃料を貯蔵する予備原燃料貯蔵設備が設置され、
前記演算器が計算した前記原燃料の不足分に見合う前記予備原燃料を、前記予備原燃料貯蔵設備から前記還元剤調整設備に供給するように構成されたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記生成状態データ検出手段として、前記原燃料生成装置に原燃料生成装置の運転状態を監視する運転状態監視装置が設置されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記生成状態データ検出手段として、前記原燃料貯蔵設備に前記原燃料の圧力を測定する圧力計が設置されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記生成状態データ検出手段として、前記還元剤調整設備に導入される前記原燃料の流入量を測定する流量計が設けられことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記生成状態データ検出手段として、前記原燃料貯蔵設備に貯蔵された原燃料の組成を分析する組成分析装置が設けられたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生物化学反応を利用して還元剤の原燃料を生成する装置を組込んだ燃料電池発電システムに係り、特に、原燃料の生成状態を把握して燃料電池本体における出力可能な最大出力を計算しつつ発電出力の制御を行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池発電システムとは、空気極及び燃料極を有する燃料電池本体を備え、空気極に酸化剤を、燃料極に還元剤をそれぞれ供給して発電を行うシステムである。燃料電池本体が発電を行うためには、酸化剤や還元剤の他に、冷却水や蒸気等も必要である。そのため、燃料電池本体には発電に必要な物を生成、調整する設備が接続されている。また、燃料電池本体では直流電力を発生するので、その直流電力を交流電力に変換する逆変換装置や、この逆変換装置から発生する交流電力を交流系統や単独負荷に供給するためのスイッチ群も設置されている。
【０００３】
ところで、上記の燃料電池発電必要物のうち還元剤は炭化水素を触媒反応にて分解して生成される。この炭化水素には天然ガスの他にＬＰＧやバイオリアクタで生成されたバイオガス等が用いられる。このような燃料電池発電システムは、化石燃料を使用することなく、不要となった有機廃棄物を有効に利用して電気エネルギーを得ることができるため、クリーンでかつ省エネルギーを実現するコシェネレーションシステムとして強く期待されている。
【０００４】
ここで、従来の燃料電池発電システムについて図９に従って具体的に説明する。バイオリアクタ１０は有機廃棄物の生成化学反応によりバイオガス２を生成するもので、このバイオガス２が還元剤４の原燃料となる。バイオリアクタ１０にはバイオガス２中に含まれる燃料電池有害物質を除去する前処理装置１１が接続されており、また、前処理装置１１にはバイオガス２を貯蔵するガスホルダ１２が接続されている。さらに、ガスホルダ１２にはバイオガス２及び蒸気３を導入して触媒反応により還元剤４を生成する還元剤調整設備１が接続されている。なお、発電必要物であるバイオガス２及び蒸気３の使用量は、後述する逆変換装置７の出力に応じて、使用される直流電流の関数として決定され、この決定に基づいて還元剤調整設備１からは燃料電池本体６への還元剤４の供給量が調整される。
【０００５】
燃料電池本体６には還元剤４及び酸化剤５を供給され、直流電力が発生するようになっている。このとき、燃料電池本体６の出口側には直流を交流に変換する逆変換装置７、スイッチ８及び交流系統９が接続されており、任意に設定された逆変換装置７の出力要求値１３に合わせて燃料電池本体６から直流電力が消費される。また、燃料電池本体６の出口側には消費される直流電流量１５を測定する直流電流測定装置１４が設けられている。さらに、直流電流測定装置１４には演算装置１６が接続されている。演算装置１６では予め設定された関数によって直流電流量１５に見合った投入燃料流量１７が決定され、この投入燃料流量１７が還元剤調整設備１に指示される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された燃料電池発電システムでは、原燃料であるバイオガス２の生成・供給に生物化学反応を利用しているため、バイオガス２の組成や生成量が変動することがある。そのため、設定された電気出力を確保しようとすると、燃料不足を招く可能性があり、発電の不安定となって、プラント運転の継続が困難となるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、生成される原燃料の組成や生成量が変動しても、安定した発電出力を確保してプラントの継続運転が可能な信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、原燃料生成装置における原燃料の生成状態データを検出する生成状態データ検出手段と、生成状態データを元にあらかじめ設定された原燃料の生成量に対する原燃料の不足分を計算する演算器と、原燃料貯蔵設備と並列に予備原燃料を貯蔵する予備原燃料貯蔵設備とが設けられ、前記演算器が計算した原燃料の不足分に見合う予備原燃料を、予備原燃料貯蔵設備から還元剤調整設備に供給するように構成されたことを特徴とする。
【０００９】
以上のような請求項１の発明では、予め設定された原燃料よりも不足した場合には予備原燃料を使用してこれを補うことができるので、原燃料の生成状態に左右されることなく、常に所望の発電出力に制御可能である。
【００１０】
請求項２〜５の発明は、請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、生成状態データ検出手段を限定しており、上記請求項１記載の燃料電池発電システムと同様の作用効果を発揮できる。
【００１１】
すなわち、請求項２の発明では原燃料生成装置の運転状態を監視する運転状態監視装置が設けられ、請求項３の発明では原燃料の圧力計が設けられたことを特徴とする。また、請求項４の発明では原燃料の流量計が設けられことを特徴とし、請求項５の発明では原燃料の組成を分析する組成分析装置が設けられたことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃料電池発電システムの実施の形態の一例について、図面に従って詳しく説明する。なお、図９に示した従来例と同一の部材に関しては同一の符号を付し、説明は省略する。
【００１３】
（１）第１の実施の形態
［構成］
第１の実施の形態は、図１に示すように、バイオリアクタ１０にバイオリアクタ１０の運転状態を監視する運転状態監視装置３０が設けられている。また、運転状態監視装置３０には演算器３１が設置されている。この演算器３１は監視した運転状態を元に燃料電池本体６が発電可能な最大出力電力量を計算するようになっており、その出力指令値２０が逆変換装置７に入力される出力設定値の上限値となっている。
【００１４】
［作用効果］
以上のような第１の実施の形態によれば、運転状態監視装置３０がバイオリアクタ１０の運転状態を監視し、その状態によって演算器３１により計算された出力指令値２０に基づいて逆変換装置７の出力を制御することができる。したがって、バイオリアクタ１０の運転状態が変化しても、それに応じて適正な発電出力を自動的に調整することができ、安定したプラント運転を継続することができる。
【００１５】
（２）第２の実施の形態
［構成］
図２に示す第２の実施の形態は、ガスホルダ１２にはバイオガス２の圧力を測定する圧力計２１が設けられている。また、圧力計２１には測定された圧力を元に燃料電池本体６が発電可能な出力電力量を計算する演算器２２を接続されている。演算器２２からの出力指令値２０は、前記第１の実施の形態と同じく、逆変換装置７に入力される出力設定値の上限値となっている。
【００１６】
［作用効果］
このような第２の実施の形態によれば、ガスホルダ１２内のバイオガス２の圧力を圧力計２１によって測定し、その圧力値を元に演算器２２が導いた出力指令値２０に基づいて、逆変換装置７の出力制御が可能である。したがって、バイオリアクタ１０にて生成されるバイオガス２の圧力が変動しても、それに応じて適正な発電出力を自動的に調整可能であり、安定したプラント運転を継続できる。
【００１７】
（３）第３の実施の形態
［構成］
第３の実施の形態は、図３に示すように、ガスホルダ１２の出口側にバイオガス２の流量を測定する流量計２３が設けられ、この流量計２３に演算器２４が接続されたことを特徴としている。演算器２４は、流量計２３にて測定された流量と、従来からある演算装置１６によって決定された投入燃料量１７とを比較して、発電可能な出力電力量を計算するようになっている。このとき、演算器２４からの出力指令値２０を逆変換装置７に入力される出力設定値の上限値としている。
【００１８】
［作用効果］
以上の第３の実施の形態によれば、流量計２３によって還元剤調整設備１に導入されるバイオガス２の流量を測定し、その流量変動に基づいて演算器２４が出力指令値２０を計算し、この出力指令値２０で逆変換装置７の出力を制御できる。したがって、バイオガス２の流量に応じて適正な発電出力を自動的に調整でき、安定したプラントの継続運転が可能である。
【００１９】
（４）第４の実施の形態
［構成］
第４の実施の形態を図４に示す。すなわち、ガスホルダ１２にはバイオガス２の組成を分析するガス分析装置１８が設けられている。また、ガス分析装置１８には分析されたガス組成を元に発電可能な出力電力量を計算する演算器１９が接続されており、その出力指令値２０が逆変換装置７を入力される出力設定値の上限値とされる。
【００２０】
［作用効果］
上記第４の実施の形態によれば、ガス分析装置１８がガスホルダ１２内のバイオガス２の組成を分析し、その組成によって演算器１９が求めた出力指令値２０に基づいて、逆変換装置７の出力制御が行うことができる。したがって、バイオリアクタ１０にて生成されたバイオガス２の組成が変動しても、これに応じて最適な発電出力に自動調整を行うことができ、安定してプラント運転を継続することができる。
【００２１】
（５）第５の実施の形態
［構成］
第５の実施の形態は、図５に示すように、ガスホルダ１２と並列に予備原燃料を貯蓄し、且つ還元剤調整設備１に予備原燃料３３を供給する予備ホルダ２５が設けられている。また、運転状態監視装置３０からの信号または外部要求信号３２が予備ホルダ２５に入力され、外部要求信号３２の反転信号が還元剤調整設備１に入力される。
【００２２】
［作用効果］
このような第５の実施の形態においては、運転状態監視装置３０からの信号または外部要求信号３２によって任意にバイオガス（原燃料）２と予備原燃料３３を切り替えることができる。したがって、バイオリアクタ１０におけるバイオガス２の生成状態に左右されることなく、安定して所望の出力でプラント運転を継続することができる。なお、第５の実施の形態では、生成状態データ検出手段として運転状態監視装置３０を設置したが、これに代えて、前述した第２〜第４の実施の形態に記載した圧力計２１、流量計２３あるいはガス分析装置１８を用いても良い。
【００２３】
（６）第６の実施の形態
［構成］
図６に示す第６の実施の形態は、ガスホルダ１２と並列に予備ホルダ２５が設けられ、ガスホルダ１２には圧力計２１が設けられている。さらに圧力計２１には演算器２８が接続されている。演算器２８は圧力計２１にて測定された圧力を元に、あらかじめ設定された原燃料の生成量に対する原燃料の不足分、つまり不足原燃料量２７を計算し、この不足燃料量２７を予備ホルダ２５に入力するようになっている。予備ホルダ２５は入力された不足燃料量２７分だけを還元剤調整設備１に供給するように構成されている。
【００２４】
［作用効果］
このような第６の実施の形態によれば、圧力計２１の測定結果を元に、演算器２８によって不足燃料量２７を計算し、この不足燃料量２７分だけ予備ホルダ２５から還元剤調整設備１に供給する。したがって、バイオリアクタ１０にて生成されるバイオガス２の圧力に左右されることなく、還元剤調整設備１は常に安定して還元剤４を生成して燃料電池本体６へ供給可能であり、燃料電池本体６はあらかじめ設定された所望の出力で運転を継続できる。
【００２５】
（７）第７の実施の形態
［構成］
第７の実施の形態は、図７に示すように、前記予備ホルダ２５及び流量計２３に加えて、流量計２３にて測定された流量を元に不足燃料量２７を計算し、これを予備ホルダ２５に入力する演算器２９が設けられている点に特徴がある。
【００２６】
［作用効果］
以上の第７の実施の形態によれば、流量計２３によって還元剤調整設備１に導入されるバイオガス２の流量を測定し、その流量が変動すれば、演算器２９が不足燃料量２７を計算して、これを予備ホルダ２５から還元剤調整設備１へと供給することができる。したがって、バイオガス２の流量に左右されることなく還元剤調整設備１における還元剤４の生成量は安定しており、安定して一定した出力でプラント運転を継続できる。
【００２７】
（８）第８の実施の形態
［構成］
第８の実施の形態を図８に示す。すなわち、ガスホルダ１２と並列に予備ホルダ２５が設けられると共に、ガスホルダ１２にガス分析装置１８が接続されている。ガス分析装置１８にはガス分析装置１８にて分析されたガス組成を元に不足燃料量２７を計算する演算器２６を接続されている。
【００２８】
［作用効果］
上記第８の実施の形態によれば、ガスホルダ１２内のガス組成をガス分析装置１８によって分析し、その組成を元に演算器２６により不足燃料量２７を計算し、この不足燃料量２７だけを予備ホルダ２５から還元剤調整設備１に供給できる。したがって、バイオリアクタ１０にて生成されたバイオガス２の組成変動に左右されることなく、あらかじめ設定された所望の発電出力でプラント運転を継続できる。
【００２９】
（９）他の実施の形態
なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、例えば、第５，６実施の形態の変形例として、生成状態データ検出手段として運転状態監視装置３０を設置し、運転状態監視装置３０にて監視された運転状態データを元に不足燃料量２７を計算し、これを予備ホルダ２５に入力する演算器が設けたものも包含される。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池発電システムによれば、原燃料の生成状態データを検出する生成状態データ検出手段、及びこのデータを元に燃料電池本体が出力可能な最大出力値を計算する演算器あるいは原燃料の不足分を計算する演算器を備えるといった簡単な構成により、生成される原燃料の組成や生成量が変動しても安定した発電出力を確保でき、プラントの継続運転が可能となり、信頼性を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態を示す構成図
【図２】  本発明の第２の実施の形態を示す構成図
【図３】  本発明の第３の実施の形態を示す構成図
【図４】  本発明の第４の実施の形態を示す構成図
【図５】  本発明の第５の実施の形態を示す構成図
【図６】  本発明の第６の実施の形態を示す構成図
【図７】  本発明の第７の実施の形態を示す構成図
【図８】  本発明の第８の実施の形態を示す構成図
【図９】  従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成図
【符号の説明】
１…還元剤調整設備
２…バイオガス（原燃料）
３…蒸気
４…還元剤
５…酸化剤
６…燃料電池本体
７…逆変換装置
８…スイッチ
９…交流系統
１０…バイオリアクタ
１１…前処理装置
１２…ガスホルダ
１３…出力要求値
１４…直流電流測定装置
１５…直流電流量
１６…演算装置
１７…投入燃料流量
１８…ガス分析装置
１９，２２，２４，２６，２８，２９，３１…演算器
２０…出力指令値
２１…圧力計
２３…流量計
２５…予備ホルダ
２７…不足燃料量
３０…運転状態監視装置
３２…外部要求信号
３３…予備原燃料
【図１】
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【図２】
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【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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