CN104246492A - 气体燃料的组分判别方法、气体燃料的组分判别装置、燃料供应系统以及燃料电池系统 - Google Patents

气体燃料的组分判别方法、气体燃料的组分判别装置、燃料供应系统以及燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

判别由燃料供应设备供应到供应对象的烃类气体燃料的组分。使用超声波流量计测定气体燃料中的声速(101)。基于测定出的声速推定气体燃料的碳数(102)。基于推定出的碳数推定气体燃料的组分(成分和成分浓度)(103)。基于推定出的组分，控制燃料供应系统中的燃料供应量。

Description

气体燃料的组分判别方法、气体燃料的组分判别装置、燃料供应系统以及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及由燃料供应设备供应到供应对象的烃类气体燃料的组分判别方法和装置以及具备组分判别装置的燃料供应系统和燃料电池系统。
背景技术
作为与气体燃料的组分判别相关的现有技术，有专利文献1～3所述的技术。
(1)专利文献1
作为燃料电池系统的燃料废气中的氮浓度的推定方法，可举出声速的利用。即，利用燃料废气中的声速根据燃料废气的成分的不同而不同这一点来推定氮浓度。测定对象的气体可理解为氢与氮的混合气体。
(2)专利文献2
为了推定燃料电池系统的燃料废气中的氢浓度，利用氢的声速突出地快这一点，测定燃料废气中的声速，根据该声速求出氢浓度。测定对象的气体的组分大致规定为水、二氧化碳、氮以及氢。
(3)专利文献3
以1种以上且不足所有种类的烃表示气体中的多种烃成分，测定数量比包含上述烃的有效成分的数量少1种的气体特性，由此，决定气体的有效组分。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报：特开2005-203143号
专利文献2：日本公开专利公报：特开2003-077518号
专利文献3：日本公表专利公报：特表2004-514138号(WO2002/040992)
发明内容
发明要解决的问题
然而，现有技术有如下问题。
(1)专利文献1
虽然记载了当燃料废气中的氮浓度上升时，燃料废气中的声速也相应地发生变化，因此，能够通过检测燃料废气中的声速来推定氮浓度，但仅通过上述记载，实际上利用是困难的。另外，测定对象可认为是容易推定组分的氢与氮的混合气体，而没有关于复杂地混合有烃的气体的记载。
(2)专利文献2
测定对象规定为氢与水、二氧化碳、氮的混合气体，这是有限制性的。另外，为了求出对应关系，必须预先测量或算出废气中的水、二氧化碳、氮等的浓度。
(3)专利文献3
在要进行测定的所有的气体特性中，多种烃成分与用作有效成分的烃必须以相同的组合示出相同特性。例如在乙烷与甲烷/丙烷为1比1的混合气体的情况下，声速大致相同(误差0.3％程度)，但定压比热包含3％程度的误差。因此，推定精度有问题。
鉴于这种实际状况，本发明的课题在于，提供能够精确地对烃类气体燃料进行组分判别的组分判别方法和装置，还提供具备该组分判别装置的燃料供应系统和燃料电池系统。
用于解决问题的方案
本发明所涉及的气体燃料的组分判别方法包含以下步骤：使用超声波流量计测定气体燃料中的声速；基于测定出的声速推定气体燃料的碳数；以及基于推定出的碳数推定气体燃料的组分。
本发明所涉及的气体燃料的组分判别装置包含以下部分：声速测定部，其使用超声波流量计测定气体燃料中的声速；碳数推定部，其基于测定出的声速推定气体燃料的碳数；以及组分推定部，其基于推定出的碳数推定气体燃料的组分。
本发明所涉及的燃料供应系统是具备对供应对象供应烃类气体燃料的燃料供应设备的燃料供应系统，包含以下部分：上述的组分判别装置；以及燃料供应量控制部，其基于由该组分判别装置判别出的组分，控制燃料供应设备的燃料供应量。
本发明所涉及的燃料电池系统是具备供应烃类气体燃料的燃料供应设备、对所供应的气体燃料进行改性而生成富氢的改性燃料的燃料改性装置以及通过所生成的改性燃料与空气的电化学反应进行发电的燃料电池堆的燃料电池系统，包含以下部分：上述的组分判别装置；以及燃料供应量控制部，其基于由该组分判别装置判别出的组分，控制燃料供应设备的燃料供应量。
发明效果
根据本发明，能够比较精确地推定气体燃料的组分。特别是，对于复杂地混合有烃的气体燃料也能推定组分。由此，在燃料供应系统或者燃料电池系统中，能够使气体燃料的组分变化适当地反映到燃料供应量的控制中。
附图说明
图1是作为本发明的第1实施方式示出的燃料供应系统的概略构成图。
图2是超声波流量计的说明图。
图3是控制装置内的组分判别部的功能框图。
图4是示出关于CH系气体的声速与碳数的关系的图。
图5是气体燃料的组分判别的流程图(第1部分)。
图6是气体燃料的组分判别的流程图(第2部分)
图7是气体燃料的组分判别的流程图(第3部分)
图8是燃料供应量控制的流程图。
图9是作为本发明的第2实施方式示出的燃料电池系统的概略构成图。
图10是示出该第2实施方式的变形例的燃料电池系统的概略构成图。
图11是关于传感器类的配设位置的变形例的说明图。
具体实施方式
以下，详细说明本发明的实施方式。
首先，作为本发明的第1实施方式，根据图1～图8说明将本发明应用于通用的燃料供应系统中的气体燃料的组分判别的实施方式。
图1是作为本发明的第1实施方式示出的燃料供应系统的概略构成图。
本实施方式的燃料供应系统包含对供应对象(各种气体设备)1供应烃类气体燃料的燃料供应设备2。
燃料供应设备2由连接到气体燃料供应源的泵和/或流量控制阀等构成，基于来自控制装置7的信号控制供应量。
在从燃料供应设备2向供应对象1的气体燃料的供应路径中，在燃料供应设备2的上游侧(或下游侧)设置有热式流量计(质量流量计)3、超声波流量计(体积流量计)4、燃料温度传感器5以及燃料压力传感器6。此外，3～6的排列为任意顺序。
热式流量计3使用气体所具有的热扩散作用进行流量测定，由于气体的压缩程度的不同，传导的热量会发生变化，因而能够测定质量流量。热式流量计3的小型化是容易的，另外，在小型的基础上还具有响应性好的特点。但是，根据测定对象的气体的组分的不同，输出会发生变化，因此，一般在确定了测定对象的气体的组分的基础上调整使用。
超声波流量计4能够不依赖测定对象的气体的组分地测定体积流量。
根据图2说明超声波流量计4的测定原理。
超声波流量计4是在流动方向上游侧和下游侧将分别具备超声波振子的超声波的收发器4a、4b相对配置而成的，测定从上游至下游(正方向)的超声波的到达时间t1和从下游至上游(反方向)的超声波的到达时间t2。
在此，若将气体的流速设为V，将气体中的声速设为C，则向正方向的传播速度为C+V，向反方向的传播速度为C-V。
因此，若将距离设为L，则：
t1＝L/(C+V)→1/t1＝(C+V)/L··(1)
t2＝L/(C-V)→1/t2＝(C-V)/L··(2)。
因此，根据上式(1)、(2)，能够通过下式(3)求出流速V。另外，同样地，能够通过下式(4)求出声速C。
V＝(1/t1-1/t2)×L/2···(3)
C＝(1/t1+1/t2)×L/2···(4)
因此，超声波流量计4能够用作测定气体燃料中的声速的声速测定部。
燃料温度传感器5检测流量测定部附近的燃料温度Tf。燃料压力传感器6检测流量测定部附近的燃料压力Pf。
这些热式流量计3、超声波流量计4、燃料温度传感器5以及燃料压力传感器6的检测信号被送向控制装置7。
控制装置7包含微型计算机，根据控制程序进行计算处理，一边读入包括热式流量计3、超声波流量计4、燃料温度传感器5以及燃料压力传感器6在内的各种传感器信号，一边控制燃料供应设备2的工作。此外，控制装置7也可以在进行燃料供应设备2的控制的同时，进行其它各种设备的控制。
接着，说明控制装置7进行的燃料供应量的控制。
在能够确定气体燃料的组分的情况下，在基于此而设定了热式流量计3的换算系数的基础上使用热式流量计3控制燃料供应量。即，根据目标供应条件设定目标燃料供应量，通过燃料供应设备2控制气体燃料的供应量，而且是一边参照热式流量计3的测量流量一边进行反馈控制。
另一方面，在气体燃料的组分会发生变化的情况下，一边使用超声波流量计4和热式流量计3进行组分判别，一边控制燃料供应量。
因此，在控制装置7内具备：组分判别部(组分判别装置)100，其与超声波流量计4协作而判别由燃料供应设备2供应到供应对象1的烃类气体燃料的组分；以及燃料供应量控制部200，其基于由组分判别部100判别出的组分，控制燃料供应设备2的燃料供应量。
如图3的功能框图所示，组分判别部(组分判别装置)100包含以下部分：声速测定部101，其使用超声波流量计4测定气体燃料中的声速；碳数推定部102，其基于测定出的声速推定气体燃料的碳数；以及组分推定部103，其基于推定出的碳数推定气体燃料的组分(成分和成分浓度)。
碳数推定部102使用如图4所示的关于CH系气体的各温度的声速所对应的碳数的表或者函数，根据温度和声速推定碳数。
组分推定部103根据推定出的碳数与对气体燃料的主成分预先决定的碳数的比较结果，从预先决定的候选副成分中确定副成分，推定上述主成分和上述确定的副成分的各成分浓度。
组分判别部(组分判别装置)100还包含以下部分：第1换算系数算出部104，其基于质量流量计(热式流量计3)和体积流量计(超声波流量计4)的测定结果，算出质量流量计的换算系数；第2换算系数算出部105，其算出由上述组分推定部103推定出的组分的推定换算系数；以及比较验证部106，其比较上述第1和第2换算系数算出部104、105的算出结果，对上述组分推定部103的推定结果进行比较验证。
组分判别部(组分判别装置)100还包含组分重新推定部107，组分重新推定部107在上述比较验证部106认定为不一致时，视为气体燃料中混入有别的成分，而重新推定气体燃料的组分。
控制装置7内的燃料供应量控制部200例如基于由组分判别部(组分判别装置)100判别出的组分推定气体燃料的发热量，以使得每单位时间的发热量成为规定值的方式控制气体燃料的供应量。
在此，组分判别部(组分判别装置)100(101～107)的功能通过图5～图7的流程图实现，燃料供应量控制部200的功能通过图8的流程图实现。
图5～图7是气体燃料的组分判别的流程图。
在S1中，基于超声波流量计4的中间输出，测定气体燃料中的声速C。
在S2中，基于超声波流量计4的输出，测定气体燃料的体积流量Qv。
在S3中，基于燃料温度传感器5的输出，测定气体燃料的温度Tf。
在S4中，基于燃料压力传感器6的输出，测定气体燃料的压力Pf。
在S5中，基于热式流量计3的输出，测定气体燃料的质量流量Qm。
在S6中，通过下式算出换算系数CF。
换算系数CF＝〔Qv×(273.15÷(273.15+Tf))×((101.33+Pf)÷101.33)〕/〔Qm÷γ〕
换算系数CF的算出式的分母〔Qm÷γ〕是将作为热式流量计3的测定值的质量流量Qm变换为正常流量(标准状态的体积流量)而得到的。即，是将质量流量Qm除以比重γ(设计上的气体组分在标准状态时的比重)，变换为标准状态下的体积流量Q1(参照下式)而得到的。
Q1＝Qm÷γ
换算系数CF的算出式的分子是将作为超声波流量计4的测定值的体积流量Qv变换为正常流量而得到的。即，是使用燃料温度Tf和燃料压力Pf将体积流量Qv变换为标准(正常)状态下的流量Q2(参照下式)而得到的。
Q2＝Qv×(273.15÷(273.15+Tf))×((101.33+Pf)÷101.33)
因此，换算系数CF是作为质量流量测量定值的正常变换值Q1与体积流量测量定值的正常变换值Q2之比算出的(参照下式)。
换算系数CF＝Q2/Q1
在S7～S9中，根据气体燃料中的声速C推定气体燃料的碳数。
此处的推定使用图4的表或者函数。图4按不同温度示出关于CH系气体的声速与碳数的关系。即，实线示出温度T1(例如-10℃)时的声速与碳数的关系，虚线示出温度T2(例如60℃)时的声速与碳数的关系。
在S7中，参照图4的实线的特性，根据气体燃料中的声速C，求出温度T1时的碳数(CN1)。
在S8中，参照图4中的虚线的特性，根据气体燃料中的声速C，求出温度T2时的碳数(CN2)。
在S9中，基于温度T1时的碳数(CN1)和温度T2时的碳数(CN2)，通过内插(也称为插值)，求出温度Tf(当前的实际温度)时的碳数CN。
在S10中，判定由S6～S9中的处理推定出的气体燃料的碳数CN是否小于1。这是为了根据判定结果对组分进行近似。详细地说，是为了根据推定出的气体燃料的碳数CN与作为气体燃料的主成分的甲烷CH4的碳数(1)的比较结果，从预先决定的候选副成分(氢H2、丙烷C3H8)中确定副成分。
在CN＜1的情况下，前进至图6的流程的S11，将副成分设为氢，假定是甲烷与氢的混合气体。在CN＞1的情况下，前进至图7的流程的S21，将副成分设为丙烷，假定是甲烷与丙烷的混合气体。
说明碳数CN＜1的情况下的图6的流程。
在S11中，假定气体燃料为甲烷CH4(碳数1)与氢H2(碳数0)的混合气体。
在S12中，基于上述假定，根据碳数CN算出推定甲烷浓度CS(CH4)(参照下式)。
CS(CH4)＝CN×100(％)
在S13中，根据推定甲烷浓度CS(CH4)算出推定氢浓度CS(H2)(参照下式)。
CS(H2)＝100-CS(CH4)
在S14中，使用甲烷CH4的换算系数CF(CH4)和氢H2的换算系数CF(H2)，根据推定甲烷浓度CS(CH4)和推定氢浓度CS(H2)，算出关于气体燃料的推定换算系数CF’(参照下式)。
CF’＝1/〔CS(CH4)/CF(CH4)+CS(H2)/CF(H2)〕
此外，换算系数能够通过下述的通式求出。
换算系数＝1/Σ(成分i的体积分率/成分i的换算系数)
另外，能够忽略压缩系数而设为体积分率＝摩尔分数。
在S15中，将S6中求出的换算系数CF与S14中求出的推定换算系数CF’进行比较，判定一致/不一致。具体地说，判定它们的差是否小于规定的限幅水平SL(CF-CF’＜SL)。这是为了通过比较它们来验证S12、S13中的组分推定。
在CF-CF’＜SL的情况下，视为S12、S13中的组分推定是准确的，结束处理。
在CF-CF’＞SL的情况下，视为气体燃料是甲烷CH4、氢H2以及氮N2的混合气体，在S16～S18中重新进行计算。即，在比较验证的结果为不一致时，视为气体燃料中混入有别的成分(氮N2)，而重新推定气体燃料的组分。
在S16中，通过下式算出推定氮浓度CS(N2)。
CS(N2)＝A/B×100(％)
A＝1/CF-[CS(CH4)/CF(CH4)+CS(H2)/CF(H2)]÷100
B＝1/CF(N2)-[CS(CH4)’/CF(CH4)+CS(H2)’/CF(H2)]÷100
此外，A式中的CF为换算系数，CS(CH4)为推定甲烷浓度，CF(CH4)为甲烷的换算系数，CS(H2)为推定氢浓度，CF(H2)为氢的换算系数。
B式中的CF(N2)为氮的换算系数，CS(CH4)’为氮相等气体中的甲烷浓度，CF(CH4)为甲烷的换算系数，CS(H2)’为氮相等气体中的氢浓度，CF(H2)为氢的换算系数。
氮相等气体中的甲烷浓度是指声速和氮相等的甲烷与氢的规定混合比的气体中的甲烷浓度X(％)，能够通过预先计算求出。
氮相等气体中的氢浓度是指声速和氮相等的甲烷与氢的规定混合比的气体中的氢浓度Y(％)，且Y＝100-X。
在S17中，通过下式重新计算推定甲烷浓度CS(CH4)。
CS(CH4)＝CS(CH4)-CS(N2)×CS(CH4)’÷100(％)
此外，上式的右边的CS(CH4)为推定甲烷浓度(在S12中算出)，CS(N2)为推定氮浓度，CS(CH4)’为氮相等气体中的甲烷浓度。
在S18中，通过下式，重新计算推定氢浓度CS(H2)。
CS(H2)＝CS(H2)-CS(N2)×CS(H2)’÷100(％)
上式的右边的CS(H2)为推定氢浓度(在S13中算出)，CS(N2)为推定氮浓度，CS(H2)’为氮相等气体中的氢浓度。
说明碳数CN＞1的情况下的图7的流程。
在S21中，假定气体燃料为甲烷CH4(碳数1)与丙烷C3H8(碳数3)的混合气体。
在S22中，基于上述假定，根据碳数CN算出推定丙烷浓度CS(C3H8)(参照下式)。
CS(C3H8)＝[CN-1]÷2×100(％)
在S23中，根据推定丙烷浓度CS(C3H8)算出推定甲烷浓度CS(CH4)(参照下式)。
CS(CH4)＝100-CS(C3H8)
在S24中，使用甲烷CH4的换算系数CF(CH4)和丙烷C3H8的换算系数CF(C3H8)，根据推定甲烷浓度CS(CH4)和推定丙烷浓度CS(C3H8)，算出关于气体燃料的推定换算系数CF’(参照下式)。
CF’＝1/〔CS(CH4)/CF(CH4)+CS(C3H8)/CF(C3H8)〕
在S25中，将S6中求出的换算系数CF与S24中求出的推定换算系数CF’进行比较，判定一致/不一致。具体地说，判定它们的差是否小于规定的限幅水平SL(CF-CF’＜SL)。这是为了通过比较它们来验证S22、S23中的组分推定。
在CF-CF’＜SL的情况下，视为S22、S23中的组分推定是准确的，结束处理。
在CF-CF’＞SL的情况下，视为气体燃料是甲烷CH4、丙烷C3H8以及氮N2的混合气体，在S26～S28中重新进行计算。即，在比较验证的结果为不一致时，视为气体燃料混入有别的成分(氮N2)，而重新推定气体燃料的组分。
在S26中，通过下式算出推定氮浓度CS(N2)。
CS(N2)＝A/B×100(％)
A＝1/CF-[CS(CH4)/CF(CH4)+CS(C3H8)/CF(C3H8)]÷100
B＝1/CF(N2)-[CS(CH4)’/CF(CH4)+CS(C3H8)’/CF(C3H8)]÷100
此外，A式中的CF为换算系数，CS(CH4)为推定甲烷浓度，CF(CH4)为甲烷的换算系数，CS(C3H8)为推定丙烷浓度，CF(C3H8)为丙烷的换算系数。
B式中的CF(N2)为氮的换算系数，CS(CH4)’为氮相等气体中的甲烷浓度，CF(CH4)为甲烷的换算系数，CS(C3H8)’为氮相等气体中的丙烷浓度，CF(C3H8)为丙烷的换算系数。
此处的氮相等气体中的甲烷浓度是指声速和氮相等的甲烷与丙烷的规定混合比的气体中的甲烷浓度X’(％)，能够通过预先计算求出。
氮相等气体中的丙烷浓度是指声速和氮相等的甲烷与丙烷的规定混合比的气体中的丙烷浓度Y’(％)，且Y’＝100-X’。
在S27中，通过下式重新计算推定甲烷浓度CS(CH4)。
CS(CH4)＝CS(CH4)-CS(N2)×CS(CH4)’÷100(％)
此外，上式的右边的CS(CH4)为推定甲烷浓度(在S22中算出)，CS(N2)为推定氮浓度，CS(CH4)’为氮相等气体中的甲烷浓度。
在S28中，通过下式重新计算推定丙烷浓度CS(C3H8)。
CS(C3H8)＝CS(C3H8)-CS(N2)×CS(C3H8)’÷100(％)
上式的右边的CS(C3H8)为推定丙烷浓度(在S23中算出)，CS(N2)为推定氮浓度，CS(C3H8)’为氮相等气体中的丙烷浓度。
图8是基于组分判别的燃料供应量控制的流程图。
在S31中，算出气体燃料的发热量(一定单位的燃料完全燃烧时产生的热量)。具体地说，根据预先准备的已知的CH4、H2、C3H8的各发热量H(CH4)、H(H2)、H(C3H8)和在图5～图7的流程中求出的CH4、H2、C3H8的各成分浓度CS(CH4)、CS(H2)、CS(C3H8)，通过下式算出气体燃料的发热量。
发热量＝[CS(CH4)×H(CH4)+CS(H2)×H(H2)+CS(C3H8)×H(C3H8)]/100
在S32中，基于在S31中求出的气体燃料的发热量，算出燃料供应量，从而得到每单位时间的目标供应发热量。具体地说，将每单位时间的目标供应发热量除以气体燃料的发热量，算出燃料供应量。
燃料供应量＝(每单位时间的目标供应发热量)/(发热量)
这样算出的燃料供应量被设定为控制上的目标值，通过燃料供应设备2进行燃料供应量的控制。
根据本实施方式的组分判别装置，具备使用超声波流量计4测定气体燃料中的声速的声速测定部101、基于测定出的声速推定气体燃料的碳数的碳数推定部102以及基于推定出的碳数推定气体燃料的组分(成分和成分浓度)的组分推定部103，从而能够比较精确地推定气体燃料的组分，特别是，对于复杂地混合有烃的气体燃料也能推定组分。
另外，根据本实施方式的组分判别装置，碳数推定部102基于各温度的声速所对应的碳数的特性(具体地说，使用表或者函数)，根据温度和声速推定碳数，从而能够容易且准确地进行碳数的推定。
另外，根据本实施方式的组分判别装置，组分推定部103根据推定出的碳数与对气体燃料的主成分(CH4)预先决定的碳数(1)的比较结果，从预先决定的候选副成分(H2、C3H8)中确定副成分，推定上述主成分(CH4)和上述确定的副成分(H2或者C3H8)的各成分浓度，从而能够比较简单地进行推定。
另外，根据本实施方式的组分判别装置，具备测定由燃料供应设备2供应的气体燃料的质量流量的质量流量计(热式流量计3)、测定由燃料供应设备2供应的气体燃料的体积流量的体积流量计(超声波流量计4)、基于上述质量流量计和上述体积流量计的测定结果算出质量流量计的换算系数CF的第1换算系数算出部104、算出由上述组分推定部103推定出的组分的推定换算系数CF’的第2换算系数算出部105以及将上述第1和第2换算系数算出部104、105的算出结果进行比较而对上述组分推定部103的推定结果进行比较验证的比较验证部106，从而能够使推定的可靠性提高。
另外，根据本实施方式，上述体积流量计为超声波流量计4，上述声速测定部101基于上述超声波流量计4的中间输出来测定气体燃料中的声速，从而能够抑制成本上升。
另外，根据本实施方式的组分判别装置，具备组分重新推定部107，组分重新推定部107在由上述比较验证部106认定为不一致时，视为气体燃料中混入有别的成分(N2)，而重新推定气体燃料的组分，从而能够使推定的可靠性进一步提高。
另外，根据本实施方式的燃料供应系统，具备燃料供应量控制部200，燃料供应量控制部200基于由组分判别部100判别出的组分，控制燃料供应设备2的燃料供应量，从而能够使气体燃料的组分变化适当地反映到燃料供应量的控制中。
另外，根据本实施方式的燃料供应系统，燃料供应量控制部200基于由组分推定部100推定出的组分控制气体燃料的发热量，以使得每单位时间的发热量成为规定值的方式控制气体燃料的供应量，由此，即使气体燃料的组分发生了变化，也能进行基于气体燃料的组分推定的恰当的控制，能将每单位时间的供应发热量控制为恒定。换言之，能够将发热量作为管理值来控制气体燃料的供应量。
此外，在上述实施方式中，省略了关于燃料供应系统的供应对象(气体设备)的说明，但对于供应对象没有特别限定，能够用作通用的燃料供应系统。若非要提及用途的话，则能够举出需要进行空燃比管理的燃烧用途和需要把握原料组分的化学反应用途。作为燃烧用途的单独例子，能够举出锅炉、气体发动机。气体发动机用于家庭用热电联产系统(由以城市燃气、LPG为燃料的气体发动机进行发电，并将此时产生的热用于热水供应等的系统；通称为“ECOWILL(エコウィル)”)、GHP系统(由气体发动机驱动压缩机，通过热泵运转进行制冷和制热的空调系统)以及工业用的自发电系统等。作为化学反应用途的单独例子，能够举出合成气体制造装置。合成气体制造装置以天然气、LPG等为原料，使用各种改性法，制造以H2和CO为主成分的合成气体。制造出的合成气体作为原料气体被用于氨合成、甲醇合成等。最近，GTL、DME或者SNG等与新能源制造相关的合成气体的需求进一步受到关注。
接着，作为本发明的第2实施方式，根据图9说明将本发明应用于燃料电池系统的实施方式。
图9是作为本发明的第2实施方式示出的燃料电池系统的概略构成图。
本实施方式的燃料电池系统包含以下部分：燃料改性装置11，其对烃类气体燃料进行水蒸气改性而生成富氢的改性燃料；以及燃料电池堆(燃料电池单元的组装体)12，其通过来自该燃料改性装置11的改性燃料(氢)与空气(氧)的电化学反应进行发电。
来自气体燃料供应源的气体燃料在由脱硫器13除去气体燃料中的硫化合物后，由燃料供应设备14向燃料改性装置11供应。
燃料供应设备14由泵和/或流量控制阀等构成，基于来自控制装置21的信号控制供应量。
在从燃料供应设备14向燃料改性装置11的气体燃料的供应路径中，在燃料供应设备14的上游侧(或下游侧)设置有热式流量计(质量流量计)15、超声波流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器18。15～18的排列为任意顺序。
热式流量计15、超声波流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器18与第1实施方式(图1)的热式流量计3、超声波流量计4、燃料温度传感器5以及燃料压力传感器6是相同的，省略说明。
这些热式流量计15、超声波流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器18的检测信号被送向控制装置21。
此外，在图9中，在燃料供应设备14、热式流量计15、超声波流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器18的上游侧配置有脱硫器13，但也可以如图10所示，在燃料供应设备14、热式流量计15、超声波流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器18的下游侧配置脱硫器13。为了使得即使气体燃料吸附于脱硫器13也能良好地进行气体燃料的供应控制和测量而优选图9的配置。因此，在低温吸附型的脱硫器的情况下设为图9的配置。但是，在高温吸附型、氢化脱硫型等在高温下工作的类型的脱硫器的情况下，需要避免将燃料供应设备14等置于高温环境，另外，没有气体燃料的吸附的问题，因此设为图10的配置。
燃料改性装置11中用于水蒸气改性的改性水由改性水供应设备19供应。改性水供应设备19由连接到水供应源的泵和/或流量控制阀等构成，基于来自控制装置21的信号控制供应量。
在燃料电池堆12中，来自燃料改性装置11的改性燃料供应到阳极(A)，空气供应到阴极(C)，但阴极空气由阴极空气供应设备20供应。阴极空气供应设备20由连接到空气供应源的泵(鼓风机)和/或流量控制阀等构成，基于来自控制装置21的信号控制供应量。
控制装置21包含微型计算机，根据控制程序进行计算处理，一边读入包括热式流量计15、超声波流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器18在内的各种传感器信号，一边控制包括燃料供应设备14、改性水供应设备19以及阴极空气供应设备20在内的各种设备的工作。
此外，在燃料改性装置11中，在甲烷CH4的情况下，进行下述(5)式的水蒸气改性反应，在丙烷C3H8的情况下，进行下述(6)式的水蒸气改性反应。
CH4+2H2O→CO2+4H2···(5)
C3H8+6H2O→3CO2+10H2···(6)
另外，在燃料电池堆12中，在各单元的阴极发生下述(7)式的电极反应，在阳极发生下述(8)式的电极反应，从而进行发电。
阴极:1/2O2+2e-→O2-(固体电解质)···(7)
阳极:O2-(固体电解质)+H2→H2O+2e-···(8)
接着，说明控制装置21进行的燃料、改性水以及阴极空气的控制。
在能够确定气体燃料的组分的情况下，在基于此设定了热式流量计15的换算系数的基础上使用热式流量计15控制燃料供应量。即，根据目标发电条件设定燃料供应量(目标值)，通过燃料供应设备14控制气体燃料的供应量，而且是一边参照热式流量计15的测量流量一边进行反馈控制。另外，参照热式流量计15的测量流量等设定改性水供应量(目标值)，通过改性水供应设备19控制改性水的供应量。另外，根据目标发电条件或者参照热式流量计15的测量流量等设定阴极空气供应量(目标值)，通过阴极空气供应设备20控制阴极空气的供应量。
另一方面，在气体燃料的组分会发生变化的情况下，一边使用超声波流量计16和热式流量计15进行组分判别，一边控制燃料供应量、改性水供应量以及阴极空气供应量。
因此，在控制装置21内具备：组分判别部(组分判别装置)100，其与超声波流量计16协作而判别由燃料供应设备14供应到燃料改性装置11的烃类气体燃料的组分；燃料供应量控制部201，其基于由组分判别部100判别出的组分，控制燃料供应设备2的燃料供应量；改性水供应量控制部202，其控制改性水供应设备19的改性水供应量；以及阴极空气供应量控制部203，其控制阴极空气供应设备20的阴极空气供应量。
组分判别部100与第1实施方式中说明的组分判别部100是相同的，如图3的功能框图所示的那样构成，根据图5～图7的流程图进行计算处理。因此，省略此处的说明。
燃料供应量控制部201基于由组分判别部100推定出的气体燃料的组分，例如算出气体燃料完全燃烧时可反应的氧分子的当量的4倍的值，基于该值、扫描直流电流值以及燃料利用率算出燃料供应量。
改性水供应量控制部202基于由组分判别部100推定出的气体燃料的组分，例如算出气体燃料的碳数，基于该碳数算出改性水供应量。
例如，在甲烷CH4与丙烷C3H8的混合气体的情况下，根据燃料供应量、气体燃料的组分(甲烷CH4的摩尔分数CS(CH4)和丙烷C3H8的摩尔分数CS(C3H8))，通过下式算出改性水供应量(目标值)。
改性水供应量＝燃料供应量×(CS(CH4)×1+CS(C3H8)×3)/22.414×S/C×18.02
式中的“1”为甲烷CH4的碳数，“3”为丙烷C3H8的碳数，22.414为莫尔容积(L/mol)，S/C为水碳比(目标值例如为2.5)，18.02为水的莫尔质量。
阴极空气供应量控制部203基于由组分判别部100推定出的气体燃料的组分，或者基于包含空气利用率或空气比的目标发电条件，算出阴极空气供应量。
在基于目标发电条件算出的情况下，通过下式算出阴极空气供应量(目标值)。
空气供应量＝〔单元总数×一个单元的电流量×60〕/〔Ua×Fd×(空气中的O2的摩尔分数×4)〕×22.414
在此，Ua为预先决定的空气利用率(目标值例如为0.30)，Fd为法拉第常数(96485.3399)，22.414为莫尔容积(L/mol)。另外，“4”为通过电极反应从O2生成的电子的数量(参照上述的电极反应式)。
阴极空气供应量除了可以根据目标发电条件算出以外，还可以基于燃料供应量和空燃比算出。
这样算出的燃料供应量、改性水供应量以及阴极空气供应量分别被设定为控制上的目标值，通过燃料供应设备14、改性水供应设备19以及阴极空气供应设备20，进行它们的控制。
根据本实施方式的燃料电池系统，具备燃料供应量控制部201，燃料供应量控制部201基于由组分判别部100判别出的组分，控制燃料供应设备14向燃料改性装置11的燃料供应量，从而能够对燃料改性装置11进行燃料控制，进而使气体燃料的组分变化适当地反映到燃料电池系统的发电控制中，能够使燃料电池系统的稳定性提高。
另外，根据本实施方式的燃料电池系统，具备对燃料改性装置11供应水蒸气改性用的水的改性水供应设备19和基于由组分判别部100判别出的组分控制改性水供应设备19的水供应量的改性水供应量控制部202，从而能够使气体燃料的组分变化适当地反映到改性水的供应控制中。
另外，根据本实施方式的燃料电池系统，具备对燃料电池堆12供应阴极用空气的阴极空气供应设备20和基于由组分判别部100判别出的组分控制阴极空气供应设备20的空气供应量的阴极空气供应量控制部203，从而能够使气体燃料的组分变化适当地反映到阴极空气的供应控制中。
另外，在燃料电池系统中，为了一并使用部分氧化反应作为改性反应，在具备改性用空气的供应设备的情况下，也可以具备控制改性用空气的供应量的改性用空气供应量控制部。
例如，在甲烷与丙烷的混合气体的情况下，根据燃料供应量和气体燃料的组分(甲烷CH4的摩尔分数CS(CH4)和丙烷C3H8的摩尔分数CS(C3H8))，通过下式算出改性用空气供应量。
改性用空气供应量＝燃料供应量×(CS(CH4)×1+CS(C3H8)×3)/(空气中氧浓度)×O/C
式中的O/C为氧碳比。
最后，关于第1实施方式(图1)中的热式流量计3等、第2实施方式(图9或者图10)中的热式流量计15等的配设位置进行追加性说明。
在图1中，在燃料供应设备2的上游侧配设有热式流量计3、超声波流量计4、燃料温度传感器5以及燃料压力传感器6(以下，将它们称为传感器类3～6)。同样地，在图9(或者图10)中，也是在燃料供应设备14的上游侧配设有热式流量计15、超声波流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器18(以下，将它们称为传感器类15～18)。这是因为，燃料供应设备一般包含泵，若在泵的下游侧配置流量计，则泵的脉动流有可能影响到流量计的测定。
因此，在以尽可能准确且稳定地把握所供应的燃料的组分为优先的情况下，优选在燃料供应设备的上游侧配置传感器类。
而另一方面，在以把握实际上供应到供应对象1(燃料改性装置11)的燃料的流量为优先的情况下，优选在燃料供应设备的下游侧配置传感器类。因此，在该情况下，如图11(a)所示在燃料供应设备2的下游侧配置传感器类3～6或如图11(b)所示在燃料供应设备14的下游侧配置传感器类15～18。
此外，在上述的实施方式中，将烃类气体燃料的主成分设为甲烷CH4，将候选副成分设为氢H2和丙烷C3H8，将混入到气体燃料中的别的成分设为氮N2，但不限于它们。
另外，作为烃类气体燃料，假定是城市燃气、LPG等。特别是在使用源自天然气体的城市燃气的情况下，经常会有以下情况：根据燃气公司的不同，另外即使燃气公司相同也会根据地域的差别，而有时组分不同，而且根据从供应源起的路径、距离的不同，有时会因中途的空气的混入等而导致组分不同。这样，当组分不同时，热式流量计无法表示准确的值，难以进行合适的控制。
关于这一点，在本发明中，即使在气体燃料的组分发生了变化的情况下，也能够精确地推定气体燃料的组分，因此，在燃料供应系统或者燃料电池系统中，能够使气体燃料的组分变化适当地反映到燃料供应量的控制中。
另外，在气体燃料例如从城市燃气变更为LPG或者从LPG变更为城市燃气的情况下，也能够自动检测气体燃料的变更(组分变化)。并且，通过将该检测内容通知控制装置，能够由控制装置通过与气体燃料的变更对应的控制程序的变更等更合适地对应。
另外，即使城市燃气是混入有源自沼气或者源自页岩气的烃类气体的气体或者混入有石油化工厂中作为副产物产生的废气(不是源自天然气的烃类气体)的气体，也能应用本发明
此外，图示的实施方式仅用于示例本发明，本发明不仅包含由已说明的实施方式直接示出的内容，当然还包含本领域技术人员在权利要求范围内所进行的各种改良/变更。
附图标记说明
1   供应对象
2   燃料供应设备
3   热式流量计
4   超声波流量计
5   燃料温度传感器
6   燃料压力传感器
7   控制装置
11  燃料改性装置
12  燃料电池堆
13  脱硫器
14  燃料供应设备
15  热式流量计
16  超声波流量计
17  燃料温度传感器
18  燃料压力传感器
19  改性水供应设备
20  阴极空气供应设备
21  控制装置

Claims (12)

1.一种气体燃料的组分判别方法，是由燃料供应设备供应到供应对象的烃类气体燃料的组分判别方法，其特征在于，
包含以下步骤：
使用超声波流量计测定上述气体燃料中的声速；
基于测定出的声速推定上述气体燃料的碳数；以及
基于推定出的碳数推定上述气体燃料的组分。
2.一种气体燃料的组分判别装置，是由燃料供应设备供应到供应对象的烃类气体燃料的组分判别装置，其特征在于，
包含以下部分：
声速测定部，其使用超声波流量计测定上述气体燃料中的声速；
碳数推定部，其基于测定出的声速推定上述气体燃料的碳数；以及
组分推定部，其基于推定出的碳数推定上述气体燃料的组分。
3.根据权利要求2所述的气体燃料的组分判别装置，其特征在于，
上述碳数推定部基于各温度的声速所对应的碳数的特性，根据温度和声速推定碳数。
4.根据权利要求2所述的气体燃料的组分判别装置，其特征在于，
上述组分推定部根据推定出的碳数与对上述气体燃料的主成分预先决定的碳数的比较结果，从预先决定的候选副成分中确定副成分，推定上述主成分和上述确定的副成分的各成分浓度。
5.根据权利要求2所述的气体燃料的组分判别装置，其特征在于，还包含以下部分：
质量流量计，其测定由上述燃料供应设备所供应的上述气体燃料的质量流量；
体积流量计，其测定由上述燃料供应设备所供应的上述气体燃料的体积流量；
第1换算系数算出部，其基于上述质量流量计和上述体积流量计的测定结果，算出质量流量计的换算系数；
第2换算系数算出部，其算出由上述组分推定部推定出的组分的推定换算系数；以及
比较验证部，其将上述第1换算系数算出部和第2换算系数算出部的算出结果进行比较，对上述组分推定部的推定结果进行比较验证。
6.根据权利要求5所述的气体燃料的组分判别装置，其特征在于，
上述体积流量计为超声波流量计，
上述声速测定部基于上述超声波流量计的中间输出来测定上述气体燃料中的声速。
7.根据权利要求5所述的气体燃料的组分判别装置，其特征在于，
还包含组分重新推定部，该组分重新推定部在上述比较验证部认定为不一致时，视为上述气体燃料中混入有别的成分，而重新推定上述气体燃料的组分。
8.一种燃料供应系统，具备对供应对象供应烃类气体燃料的燃料供应设备，其特征在于，
包含以下部分：
权利要求2所述的组分判别装置；以及
燃料供应量控制部，其基于由上述组分判别装置判别出的组分，控制上述燃料供应设备的燃料供应量。
9.根据权利要求8所述的燃料供应系统，其特征在于，
上述燃料供应量控制部基于由上述组分推定部推定出的组分推定上述气体燃料的发热量，以使得每单位时间的发热量成为规定值的方式控制气体燃料的供应量。
10.一种燃料电池系统，具备供应烃类气体燃料的燃料供应设备、对所供应的气体燃料进行改性而生成富氢的改性燃料的燃料改性装置以及通过所生成的改性燃料与空气的电化学反应进行发电的燃料电池堆，其特征在于，
包含以下部分：
权利要求2所述的组分判别装置；以及
燃料供应量控制部，其基于由上述组分判别装置判别出的组分，控制上述燃料供应设备的燃料供应量。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包含以下部分：改性水供应设备，其对上述改性装置供应水蒸气改性用的水；以及改性水供应量控制部，其基于由上述组分判别装置判别出的组分，控制上述改性水供应设备的水供应量。
12.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包含以下部分：阴极空气供应设备，其对上述燃料电池堆供应阴极用空气；以及阴极空气供应量控制部，其基于由上述组分判别装置判别出的组分，控制上述阴极空气供应设备的空气供应量。
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