JP4346843B2 - 燃料ガス生成装置及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
原料ガスを供給し、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、及び燃料ガス生成装置から供給される燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。燃料電池には使用する電解質の種類によってリン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、固体高分子形があるが、ここでは固体高分子形の燃料電池を用いた従来の燃料電池システムについて説明を行なう。
【０００３】
図５に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池１と、天然ガスなどの原料ガスを水蒸気改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と生成された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を低減する一酸化炭素除去器３とで構成され燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス生成部４と、燃料電池１より排出される残余燃料ガスと燃焼ガスを燃焼し改質器２に充填した改質用触媒を加熱するバーナ５と、原料ガスを昇圧し改質器２に供給する原料ガス昇圧ポンプ６と、改質器２に供給する原料ガス流量を検知する原料ガス流量計７と、原料ガス流量を調整する原料ガス流量調整弁８と、原料ガス流量計７の検知値により原料ガス流量調整弁８を調整する制御部９と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給する空気ブロア１０とを備える。
【０００４】
原料ガス昇圧ポンプ６より昇圧された原料ガスは、燃料ガス生成部４の改質器２で水蒸気改質され更に一酸化炭素除去器３で一酸化炭素濃度を低減され、水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１に供給される。
【０００５】
一方燃料電池１には酸化剤ガスとしての反応空気が空気ブロア１０により供給されており、燃料ガスと反応空気とが電気化学的に反応して発電を行なう。この燃料電池１の直流電力はインバータで交流電力に変換後、外部負荷へ供給される。
【０００６】
また発電に使用されなかった水素を含む残余燃料ガスは、燃焼ガスとともにバーナ５に供給され改質用触媒を加熱する燃料として使用される。
【０００７】
さらに、改質器２に供給される原料ガスは、発電に必要な所定流量になるように、原料ガス流量計７の検知値を受けて制御部９により原料ガス流量調整弁８の開度を調整する。
【０００８】
従来の燃料電池システムにおける原料流量計７は、燃料電池１の反応を効率的に行なうために正確に流量を測定する必要がある。また、燃料電池システムを普及させるためには、燃料電池システムを低コスト化することは重要である。原料流量計７の従来技術としては、カタログ「μＦセンサ応用製品 セレクションガイド（株式会社山武１９９７年１０月発行）」にマスフローメータおよび計測原理が記載されている。
【０００９】
計測原理は以下の通りである。センサにはヒータと上流側温度センサと下流側温度センサとを備えている。図６に示すように、流れのない状態ではヒータを中心とした温度分布が対称となるが、流れを受けた状態ではヒータ上流側の温度は降下し、下流側の温度は上昇して、温度分布の対称性が崩れる。この温度差は、温度センサの抵抗値の差となって現れ、質量流量を求めることができる。
【００１０】
これらは、前記カタログに限らず流量を正確に計測するための一般的な方法である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術を用いた計測手段であるマスフローメータでは、上記従来例に示すように作動時に脈動を生じる原料昇圧ポンプ６と併用すると、「流れの乱れ・不均一性」や「脈動に対して熱的応答性が遅い」ことが要因となって、実際の原料流量とは異なる流量を計測するという課題がある。
【００１２】
さらに、従来技術のマスフローメータは高価で容積・重量も大きいため、燃料電池システムが大型で重く高コストになるという課題もある。
【００１３】
そこで本発明は、上述したこのような従来の燃料電池システムが有する課題を考慮して、原料の脈動に対しても正確な原料流量を計測することを実現できる燃料ガス生成装置、燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムを提供することを目的とするものである。
【００１４】
また、本発明は、より小型・簡潔で低コスト化を実現できる燃料ガス生成装置、燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムを提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、第１の本発明（請求項１に対応）は、所定の原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、その昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記燃料生成手段よりも上流、かつ前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知手段と、
前記圧力損失部の上流側または下流側における前記原料ガスの圧力を検知する圧力検知手段と、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知手段と、
検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段とを備えた燃料ガス生成装置である。
【００１６】
また、第２の本発明（請求項２に対応）は、原料ガスを配送するガス配管からの原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記原料昇圧手段よりも上流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知手段と、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知手段と、
前記原料昇圧手段の能力を制御する制御手段と、
検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段とを備え、
前記制御手段が、その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する、燃料ガス生成装置である。
【００１８】
また、第３の本発明（請求項３に対応）は、前記圧力損失部は、その原料ガスが流れる流路に絞りが設けられた構成を有している第１又は２の本発明の燃料ガス生成装置である。
【００１９】
また、第４の本発明（請求項４に対応）は、前記燃料生成手段は、昇圧された前記燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器と、
生成された前記改質ガスから一酸化炭素の濃度を低減して前記燃料ガスを生成する一酸化炭素除去器とを有する第１〜３の本発明のいずれかの燃料ガス生成装置である。
【００２０】
また、第５の本発明（請求項５に対応）は、第１〜４の本発明のいずれかの燃料ガス生成装置と、
生成された前記燃料ガスと、供給される酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムである。
【００２１】
また、第６の本発明（請求項６に対応）は、所定の原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記燃料生成手段よりも上流、かつ前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部とを備えた燃料ガス生成装置を制御する燃料ガス生成装置の運転方法であって、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知ステップと、
前記圧力損失部の上流側または下流側における前記原料ガスの圧力を検知する圧力検知ステップと、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知ステップと、
検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算ステップと、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御ステップとを備えた燃料ガス生成装置の運転方法である。
【００２２】
また、第７の本発明（請求項７に対応）は、原料ガスを配送するガス配管からの原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記原料昇圧手段よりも上流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記原料昇圧手段の能力を制御する制御手段とを備えた燃料ガス生成装置を制御する燃料ガス生成装置の運転方法であって、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知ステップと、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知ステップと、
検知された前記圧力差、及び前記ガス配管における前記原料ガスに関する、前記制御手段に予め登録された圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算ステップと、
前記制御手段が、その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御ステップとを備えた燃料ガス生成装置の運転方法である。
【００２３】
また、第８の本発明（請求項８に対応）は、第１の本発明の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムを担持した媒体であって、コンピュータにより処理可能である媒体である。
【００２４】
また、第９の本発明（請求項９に対応）は、第２の本発明の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムを担持した媒体であって、コンピュータにより処理可能である媒体である。
【００２５】
また、第１０の本発明（請求項１０に対応）は、第１の本発明の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００２６】
また、第１１の本発明（請求項１１に対応）は、第２の本発明の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００２７】
【実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを示す構成図である。本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池１１と、天然ガスなどの原料ガスを水蒸気改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器１２と生成された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を低減する一酸化炭素除去器１３とで構成され燃料ガスを燃料電池１１に供給する燃料ガス生成部１４と、燃料電池１１より排出される残余燃料ガスと燃焼ガスを燃焼し改質器１２に充填した改質用触媒を加熱するバーナ１５と、原料ガスを昇圧し改質器１２に供給する原料ガス昇圧ポンプ１６と、原料ガスを流すことにより原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部１７と、圧力損失部１７での圧力損失を測定する差圧センサ１８と、原料ガス供給配管内の圧力を測定する圧力センサ１９と温度を測定する温度センサ２０と、各センサ１８〜２０からの信号により原料ガス供給配管を流れる原料ガス流量を演算する演算手段２１と、演算手段２１で演算される原料ガス流量が所定の流量になるように原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御する制御部２２と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１１に供給する空気ブロア２３とを備える。
【００２９】
本実施の形態における圧力損失部１７、差圧センサ１８、圧力センサ１９、温度センサ２０、及び演算手段２１は、原料ガスの脈動に対しても正確な原料ガス流量を計測することを実現するための構成要素である。
【００３０】
次に、本実施の形態における燃料電池システムの動作について説明する。
【００３１】
燃料ガス生成部１４で燃料ガスに生成される原料ガスは、原料ガス昇圧ポンプ１６で昇圧された後、圧力損失部１７で原料ガス流量に応じた圧力損失を受け燃料ガス生成部１４に供給される。原料ガスは燃料ガス生成部１４の改質器１２で水蒸気改質され更に一酸化炭素除去器１３で一酸化炭素濃度を低減された後、水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１１に供給される。
【００３２】
一方燃料電池１１には酸化剤ガスとしての反応空気が空気ブロア２３により供給されており、燃料ガスと反応空気とが電気化学的に反応して発電を行なう。この燃料電池１１の直流電力はインバータで交流電力に変換後、外部負荷へ供給される。
【００３３】
また発電に使用されなかった水素を含む残余燃料ガスは、燃焼ガスとともにバーナ１５に供給され改質用触媒を加熱する燃料として使用される。さらに、改質器１２に供給される原料ガスは発電に必要な所定流量になるように、差圧センサ１８、圧力センサ１９、温度センサ２０の信号から原料ガスの流量を演算手段２１で演算し、演算された原料ガス流量に基づいて原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御している。
【００３４】
原料ガス昇圧ポンプ１６により昇圧された後のガスの圧力は、原料ガスの流量に応じて数ｋＰａ〜十数ｋＰａ（ゲージ圧）の範囲で変動する。また昇圧の際に、脈動が生じる。上記本実施の形態では原料ガス昇圧ポンプ１６での昇圧後の原料ガス流量を差圧センサ１８、圧力センサ１９、温度センサ２０の各信号から演算手段２１により演算される。
【００３５】
差圧センサ１８により検出される圧力損失は圧力損失部１７を流れる原料ガスの体積流量と相関のある値である。また圧力センサ１９および温度センサ２０により検出される圧力と温度は、圧力損失部１７を流れる原料ガスを標準状態換算するときの補正に用いられる。つまり演算手段２１は、圧力損失からの体積流量の算出および圧力・温度補正を行なう。
【００３６】
すなわち上記本実施の形態における燃料電池システムの構成をとることにより、その体積流量と相関のある値が応答性の速い圧力損失として差圧で検知され、圧力・温度補正をするため、原料ガスの脈動に対して正確な原料流量を計測することを実現できる。さらに高価なマスフローメータのかわりに、安価な各センサ１８〜２０および演算手段２１を使用するため、より低コスト化された燃料電池システムを実現することができる。
【００３７】
上記について、本実施の形態の燃料電池システムと従来の燃料電池システムとを比較して説明する。すなわち、従来の燃料電池システムでは、マスフローメータにより原料の流量が計測されるものであった。すなわち、原料が原料ガス供給配管内を流れることによって、その原料の熱対流によって生じた上流側温度センサ付近の温度と下流側温度センサ付近の温度とに違いが生じる。従って、原料の体積流量と相関のある上流側温度センサ付近の温度と下流側温度センサ付近の温度との温度差を測定することによって原料の流量を測定することが出来るものである。
【００３８】
しかしながら、原料の流量が時間的に変化する場合でも正確に原料の流量を測定出来るためには、上流側温度センサや下流側温度センサには、原料の流量の時間的な変化による温度変化にも追随できるすばやい応答性が要求される。このように、原料の流量が時間的に変化する場合でも正確に原料の流量を測定するためには、すばやい応答性を有する高性能な温度センサが必要になり、このような温度センサは一般に高価である。
【００３９】
さらに、原料ガス供給配管内の原料の流れは、原料ガス昇圧ポンプ１６によって昇圧される際に脈動を生じる。そして、この脈動のために、マスフローメータ付近の原料の流れも層流ではなく乱流になり、従ってマスフローメータ付近の温度分布も図６に示した理想的な状態とは異なる複雑な分布になる。従って、上流側温度センサの温度と下流側温度センサの温度との温度差と、原料ガスの流量との相関が低下することになる。従って、上記のように例え高性能な温度センサを用いても、正確な流量は測定出来ないことになる。実際、原料の流れに脈動がある場合に、従来のマスフローメータを用いて原料の流量を測定したところ、実測値より低い流量値が得られた。
【００４０】
一方、本実施の形態では、体積流量に対して応答性の速い相関を有する圧力損失を差圧計１８により差圧で検知し、圧力・温度補正をする。圧力損失による差圧の体積流量に対する相関性は、一般に、従来のマスフローメータによる温度分布が体積流量に対する相関性よりも応答性が速い。このため、原料ガスが脈動する場合であっても、正確な原料流量を計測することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態における燃料電池システムでは「原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御することにより、原料ガスの流量を制御する」としたが、図６の従来例のように原料ガス流量調整弁を調整することにより原料ガスの流量を制御しても同様である。
【００４２】
なお、本実施の形態では、圧力計１９及び温度センサ２０を圧力損失部１７の上流側に配置するとして説明したが、これに限らず圧力計１９及び温度センサ２０を圧力損失部１７の下流側に配置してもよい。また、圧力計１９と温度センサ２０とをそれぞれ圧力損失部１７の上流側及び下流側に配置するまたは下流側及び上流側に配置してもよい。
【００４３】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムを示す構成図である。図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。
【００４４】
本実施の形態における燃料電池システムでは、原料ガス昇圧ポンプ１６は差圧センサ１８の圧力損失部１７下流側ポートより下流に位置する。また、図１の圧力センサ１９は必要としない。原料ガスとしては、本実施の形態における燃料電池システムでは都市ガス１３Ａを使用する。
【００４５】
本実施の形態における圧力損失部１７、差圧センサ１８、温度センサ２０、及び演算手段２１は、原料ガスの脈動に対しても正確な原料ガス流量を計測することを実現するための構成要素である。
【００４６】
燃料ガス生成部１４で燃料ガスに生成される原料ガスとしての都市ガス１３Ａは、ガス配管から安定した約２ｋＰａ（ゲージ圧）のガス圧で、付臭成分を除去された後にシステムに供給される。
【００４７】
供給された都市ガス１３Ａは、圧力損失部１７で原料ガス流量に応じた圧力損失を受けた後、原料ガス昇圧ポンプ１６にて昇圧され燃料ガス生成部１４に供給される。
【００４８】
また、改質器１２に供給される原料ガスは発電に必要な所定流量になるように、差圧センサ１８、及び温度センサ２０の信号から原料ガスの流量を演算手段２１で演算し、演算された原料ガス流量に基づいて原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御している。
【００４９】
原料ガス昇圧ポンプ１６により昇圧された後のガスの圧力は、原料ガスの流量に応じて数ｋＰａ〜十数ｋＰａ（ゲージ圧）の範囲で変動するが、本実施の形態における燃料電池システムの圧力損失部１７の上流側は安定したガス圧である都市ガス１３Ａ配管と接続されているため、圧力損失部１７の上流側圧力は約２ｋＰａ（ゲージ圧）で一定である。また、下流では原料ガス昇圧ポンプ１６が作動しているため、脈動も多少は生じる。
【００５０】
上記本実施の形態では原料ガス昇圧ポンプ１６での昇圧前の原料ガス流量を差圧センサ１８、及び温度センサ２０の各信号から演算手段２１により演算される。差圧センサ１８により検出される圧力損失は圧力損失部１７を流れる原料ガスの体積流量と相関のある値である。また温度センサ２０により検出される温度、および都市ガス１３Ａ配管のガス圧である２ｋＰａ（ゲージ圧）は、圧力損失部１７を流れる原料ガスを標準状態換算するときの補正に用いられる。つまり演算手段２１は、圧力損失からの体積流量の算出および圧力・温度補正を行なう。
【００５１】
都市ガス１３Ａの（低圧ラインでの）供給ガス圧は、約２ｋＰａ（ゲージ圧）であるが、ガス供給の都合により一般には１．０〜２．５ｋＰａ（ゲージ圧）の圧力範囲としている。すなわち１．０ｋＰａ（ゲージ圧）程度の低圧地域と２．５ｋＰａ（ゲージ圧）の高圧地域とが存在するということである。しかしながら、都市ガス１３Ａの（低圧ラインでの）供給ガス圧は、いずれの場合であっても、安定したガス圧として本実施の形態の燃料電池システムの原料ガス供給配管に供給される。そして、制御部２２には、予めこの安定したガス圧の圧力値が登録されている。
【００５２】
本実施の形態に示す演算手段２１では、圧力センサにより計測した原料の圧力値ではなく、上記のように予め登録されたガス圧の圧力値を用いる。このガス圧は、例えば２ｋＰａ（ゲージ圧）で一定であるとしている。
【００５３】
また、演算手段２１は、圧力補正を行う際に、理想的にはゲージ圧を絶対圧に換算し、絶対圧を用いて原料の流量を補正したほうが正確な補正を行うことが出来る。しかしながら、ゲージ圧が１．０〜２．５ｋＰａの範囲のいずれかの値の場合は、ゲージ圧と絶対圧との違いは、１％未満になる。すなわち、都市ガス１３ａの（低圧ラインでの）供給ガス圧は大気圧に比較して１００倍程度小さいからである。
【００５４】
そのため、本実施の形態に示すように供給都市ガスのガス圧を例えば２ｋＰａ（ゲージ圧）として絶対圧の代わりに用いたとしても演算上問題はない。
【００５５】
すなわち上記本実施の形態における燃料電池システムの構成をとることにより、その体積流量と相関のある値が応答性の速い圧力損失として差圧で検知され、圧力・温度補正をするため、原料ガスの脈動に対して正確な原料流量を計測することを実現できる。
【００５６】
しかも、供給ガス圧が安定しているため、圧力センサを取り除くことが可能になり、燃料電池システムの低コスト化を図ることが実現できる。さらに、差圧センサ１８と温度センサ２０に付加される圧力変動は０〜２ｋＰａ（ゲージ圧）程度と非常にすくないため、各センサ１８、２０の長寿命化・高信頼性を実現できる。
【００５７】
なお、本実施の形態における燃料電池システムでは原料ガスとして「都市ガス１３Ａを使用する」としたが、本実施の形態における燃料電池システムは、都市ガス１３Ａ以外でも安定したガス圧で供給することのできる原料ガスを使用する場合に有効である。その場合は、そのときの供給ガス圧の代表値を演算手段２１に用いる。
【００５８】
また、本実施の形態における燃料電池システムでは「原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御することにより、原料ガスの流量を制御する」としたが、図６の従来例のように原料ガス流量調整弁を調整することにより原料ガスの流量を制御しても同様である。
【００５９】
さらに本実施の形態では、温度センサ２０を圧力損失部１７の上流側に配置するとして説明したが、これに限らず温度センサ２０を圧力損失部１７の下流側に配置してもよい。
【００６０】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態１および２に係る燃料電池システムを示す構成図における圧力損失部１７のより好ましい断面図である。本実施の形態における圧力損失部１７は、原料ガスの供給配管と接続する導入部２４と、燃料ガス生成部１４に原料ガスを供給する配管と接続する排出部２５と、流路径が縮小する急縮小部２６と、流路径が拡大される急拡大部２７とで構成される。このように、本実施の形態の圧力損失部１７は、その原料ガスが流れる流路に絞りが設けられた構成を有している。
【００６１】
図４に本実施の形態における圧力損失部の流量と圧力損失の関係と、直管部のみで構成された圧力損失部のそれとを示す。図４によると、本実施の形態における圧力損失部１７においてはなだらかな曲線で示される。そのため実験式等での近似も容易となる。例えば２次式や３次スプライン曲線で近似したり、また、ガス流量と圧力損失とを対応つけるテーブルを作成することも容易である。
【００６２】
しかし直管部のみのそれは、流量を増加させると流体状態が層流から乱流に移行するため、層流から乱流への遷移域では、複雑な流れになることにより、ガス流量と圧力損失との相関性を特定することが困難になる。このように、直管部のみの流量と圧力損失との関係は、途中で不連続になる。そのため実験式等での近似は複雑となる。さらに、層流から乱流への遷移域では、ガス流量と圧力損失との相関性が失われるので、例え、圧力損失を正確に計測したとしても、この計測値からガス流量を正確に求めることは出来なくなる。
【００６３】
また本実施の形態における圧力損失部１７は、急縮小部２６と急拡大部２７との間の内径を変更することで容易に圧力損失を調整できる。しかし直管部のそれは、内径を変更すると層流から乱流に移行する流量も変化するため、複雑である。また、内径を変更せずに管路長を変更することにより圧力損失を調整することも可能であるが、その場合、管路が必要圧力損失に比例して長くなるため、燃料電池システムのガス配管構成が複雑になるとともにサイズも大きくなる。
【００６４】
すなわち上記本実施の形態における燃料電池システムのより好ましい圧力損失部の構成をとることにより、演算手段２１における演算を容易にすることを実現でき、さらに、より小型・簡潔な燃料電池システムを実現することができる。
【００６５】
このように、本実施の形態によれば、原料を昇圧する昇圧手段を備える燃料電池システムにおいて、原料供給路に圧力損失部と、圧力損失部の圧力損失を検知する圧力損失検知手段と、圧力を検知する圧力検知手段と、原料の温度を検知する温度検知手段と、圧力損失と圧力と温度に基づいて原料の流量を演算する流量演算手段とを備えることにより、原料ガスの脈動に対して正確な原料流量を計測することを実現できる原料供給装置、及び燃料電池システムを提供することができる。またさらに、高価なマスフローメータのかわりに、安価なセンサおよび演算手段を使用するため、より低コスト化を実現する燃料電池システムを提供することができる。
【００６６】
また本実施の形態によれば、圧力損失部を原料供給路において原料昇圧手段より上流に位置することにより、圧力検知手段を取り除くことが可能となり、より低コスト化を実現できる燃料電池システムを提供することができる。またさらに、圧力損失検知手段と温度検知手段には付加される圧力変動は０〜２ｋＰａ（ゲージ圧）程度と非常にすくないため、圧力損失検知手段と温度検知手段の長寿命化・高信頼性を可能にする燃料電池システムを提供することができる。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、圧力損失部を流路の急縮小部と流路の急拡大部とを組み合わせたものとすることにより、圧力損失部の流量と圧力損失の関係を容易に演算手段に用いることができる燃料電池システムを提供することができる。またさらに、急縮小部の内径により容易に圧力損失を調整できるため、より小型・簡潔な原料供給装置及び燃料電池システムを提供することができる。
【００６８】
なお、本発明は、上述した本発明の燃料ガス生成装置の全部または一部の手段（または、装置、素子、回路、部等）の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。
【００７１】
また、本発明は、上述した本発明の燃料ガス生成装置の全部または一部の手段の全部または一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する媒体である。
【００７２】
なお、本発明の一部の手段とは、それらの複数の手段の内の、幾つかの手段を意味し、あるいは、一つの手段の内の、一部の機能または一部の動作を意味するものである。
【００７３】
また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。
【００７４】
また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【００７５】
また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【００７７】
また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。
【００７８】
また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。
【００７９】
なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、原料の脈動に対しても正確な原料流量を計測することを実現できる燃料ガス生成装置、燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムを提供することが出来る。
【００８１】
また、本発明は、より小型・簡潔で低コスト化を実現できる燃料ガス生成装置、燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】 実施の形態２における燃料電池システムを示す構成図である。
【図３】 実施の形態３における圧力損失部を示す断面図である。
【図４】 実施の形態３における圧力損失部の流量と圧力損失の関係を示す図である。
【図５】 従来の燃料電池システムを示す構成図である。
【図６】 従来技術の流量計測の原理を示す図である。
【符号の説明】
１、１１ 燃料電池
２、１２ 改質器
３、１３ 一酸化炭素除去器
４、１４ 燃料ガス生成器
５、１５ バーナ
６、１６ 原料ガス昇圧ポンプ
７ 原料ガス流量計
８ 原料ガス流量調整弁
９、２２ 制御部
１０、２３ 空気ブロア
１７ 圧力損失部
１８ 差圧センサ
１９ 圧力センサ
２０ 温度センサ
２１ 演算手段
２４ 導入部
２５ 排出部
２６ 急縮小部
２７ 急拡大部
【発明の属する技術分野】
原料ガスを供給し、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、及び燃料ガス生成装置から供給される燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。燃料電池には使用する電解質の種類によってリン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、固体高分子形があるが、ここでは固体高分子形の燃料電池を用いた従来の燃料電池システムについて説明を行なう。
【０００３】
図５に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池１と、天然ガスなどの原料ガスを水蒸気改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と生成された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を低減する一酸化炭素除去器３とで構成され燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス生成部４と、燃料電池１より排出される残余燃料ガスと燃焼ガスを燃焼し改質器２に充填した改質用触媒を加熱するバーナ５と、原料ガスを昇圧し改質器２に供給する原料ガス昇圧ポンプ６と、改質器２に供給する原料ガス流量を検知する原料ガス流量計７と、原料ガス流量を調整する原料ガス流量調整弁８と、原料ガス流量計７の検知値により原料ガス流量調整弁８を調整する制御部９と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給する空気ブロア１０とを備える。
【０００４】
原料ガス昇圧ポンプ６より昇圧された原料ガスは、燃料ガス生成部４の改質器２で水蒸気改質され更に一酸化炭素除去器３で一酸化炭素濃度を低減され、水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１に供給される。
【０００５】
一方燃料電池１には酸化剤ガスとしての反応空気が空気ブロア１０により供給されており、燃料ガスと反応空気とが電気化学的に反応して発電を行なう。この燃料電池１の直流電力はインバータで交流電力に変換後、外部負荷へ供給される。
【０００６】
また発電に使用されなかった水素を含む残余燃料ガスは、燃焼ガスとともにバーナ５に供給され改質用触媒を加熱する燃料として使用される。
【０００７】
さらに、改質器２に供給される原料ガスは、発電に必要な所定流量になるように、原料ガス流量計７の検知値を受けて制御部９により原料ガス流量調整弁８の開度を調整する。
【０００８】
従来の燃料電池システムにおける原料流量計７は、燃料電池１の反応を効率的に行なうために正確に流量を測定する必要がある。また、燃料電池システムを普及させるためには、燃料電池システムを低コスト化することは重要である。原料流量計７の従来技術としては、カタログ「μＦセンサ応用製品 セレクションガイド（株式会社山武１９９７年１０月発行）」にマスフローメータおよび計測原理が記載されている。
【０００９】
計測原理は以下の通りである。センサにはヒータと上流側温度センサと下流側温度センサとを備えている。図６に示すように、流れのない状態ではヒータを中心とした温度分布が対称となるが、流れを受けた状態ではヒータ上流側の温度は降下し、下流側の温度は上昇して、温度分布の対称性が崩れる。この温度差は、温度センサの抵抗値の差となって現れ、質量流量を求めることができる。
【００１０】
これらは、前記カタログに限らず流量を正確に計測するための一般的な方法である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術を用いた計測手段であるマスフローメータでは、上記従来例に示すように作動時に脈動を生じる原料昇圧ポンプ６と併用すると、「流れの乱れ・不均一性」や「脈動に対して熱的応答性が遅い」ことが要因となって、実際の原料流量とは異なる流量を計測するという課題がある。
【００１２】
さらに、従来技術のマスフローメータは高価で容積・重量も大きいため、燃料電池システムが大型で重く高コストになるという課題もある。
【００１３】
そこで本発明は、上述したこのような従来の燃料電池システムが有する課題を考慮して、原料の脈動に対しても正確な原料流量を計測することを実現できる燃料ガス生成装置、燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムを提供することを目的とするものである。
【００１４】
また、本発明は、より小型・簡潔で低コスト化を実現できる燃料ガス生成装置、燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムを提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、第１の本発明（請求項１に対応）は、所定の原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、その昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記燃料生成手段よりも上流、かつ前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知手段と、
前記圧力損失部の上流側または下流側における前記原料ガスの圧力を検知する圧力検知手段と、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知手段と、
検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段とを備えた燃料ガス生成装置である。
【００１６】
また、第２の本発明（請求項２に対応）は、原料ガスを配送するガス配管からの原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記原料昇圧手段よりも上流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知手段と、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知手段と、
前記原料昇圧手段の能力を制御する制御手段と、
検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段とを備え、
前記制御手段が、その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する、燃料ガス生成装置である。
【００１８】
また、第３の本発明（請求項３に対応）は、前記圧力損失部は、その原料ガスが流れる流路に絞りが設けられた構成を有している第１又は２の本発明の燃料ガス生成装置である。
【００１９】
また、第４の本発明（請求項４に対応）は、前記燃料生成手段は、昇圧された前記燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器と、
生成された前記改質ガスから一酸化炭素の濃度を低減して前記燃料ガスを生成する一酸化炭素除去器とを有する第１〜３の本発明のいずれかの燃料ガス生成装置である。
【００２０】
また、第５の本発明（請求項５に対応）は、第１〜４の本発明のいずれかの燃料ガス生成装置と、
生成された前記燃料ガスと、供給される酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムである。
【００２１】
また、第６の本発明（請求項６に対応）は、所定の原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記燃料生成手段よりも上流、かつ前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部とを備えた燃料ガス生成装置を制御する燃料ガス生成装置の運転方法であって、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知ステップと、
前記圧力損失部の上流側または下流側における前記原料ガスの圧力を検知する圧力検知ステップと、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知ステップと、
検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算ステップと、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御ステップとを備えた燃料ガス生成装置の運転方法である。
【００２２】
また、第７の本発明（請求項７に対応）は、原料ガスを配送するガス配管からの原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記原料昇圧手段よりも上流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記原料昇圧手段の能力を制御する制御手段とを備えた燃料ガス生成装置を制御する燃料ガス生成装置の運転方法であって、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知ステップと、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知ステップと、
検知された前記圧力差、及び前記ガス配管における前記原料ガスに関する、前記制御手段に予め登録された圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算ステップと、
前記制御手段が、その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御ステップとを備えた燃料ガス生成装置の運転方法である。
【００２３】
また、第８の本発明（請求項８に対応）は、第１の本発明の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムを担持した媒体であって、コンピュータにより処理可能である媒体である。
【００２４】
また、第９の本発明（請求項９に対応）は、第２の本発明の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムを担持した媒体であって、コンピュータにより処理可能である媒体である。
【００２５】
また、第１０の本発明（請求項１０に対応）は、第１の本発明の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００２６】
また、第１１の本発明（請求項１１に対応）は、第２の本発明の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００２７】
【実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを示す構成図である。本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池１１と、天然ガスなどの原料ガスを水蒸気改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器１２と生成された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を低減する一酸化炭素除去器１３とで構成され燃料ガスを燃料電池１１に供給する燃料ガス生成部１４と、燃料電池１１より排出される残余燃料ガスと燃焼ガスを燃焼し改質器１２に充填した改質用触媒を加熱するバーナ１５と、原料ガスを昇圧し改質器１２に供給する原料ガス昇圧ポンプ１６と、原料ガスを流すことにより原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部１７と、圧力損失部１７での圧力損失を測定する差圧センサ１８と、原料ガス供給配管内の圧力を測定する圧力センサ１９と温度を測定する温度センサ２０と、各センサ１８〜２０からの信号により原料ガス供給配管を流れる原料ガス流量を演算する演算手段２１と、演算手段２１で演算される原料ガス流量が所定の流量になるように原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御する制御部２２と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１１に供給する空気ブロア２３とを備える。
【００２９】
本実施の形態における圧力損失部１７、差圧センサ１８、圧力センサ１９、温度センサ２０、及び演算手段２１は、原料ガスの脈動に対しても正確な原料ガス流量を計測することを実現するための構成要素である。
【００３０】
次に、本実施の形態における燃料電池システムの動作について説明する。
【００３１】
燃料ガス生成部１４で燃料ガスに生成される原料ガスは、原料ガス昇圧ポンプ１６で昇圧された後、圧力損失部１７で原料ガス流量に応じた圧力損失を受け燃料ガス生成部１４に供給される。原料ガスは燃料ガス生成部１４の改質器１２で水蒸気改質され更に一酸化炭素除去器１３で一酸化炭素濃度を低減された後、水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１１に供給される。
【００３２】
一方燃料電池１１には酸化剤ガスとしての反応空気が空気ブロア２３により供給されており、燃料ガスと反応空気とが電気化学的に反応して発電を行なう。この燃料電池１１の直流電力はインバータで交流電力に変換後、外部負荷へ供給される。
【００３３】
また発電に使用されなかった水素を含む残余燃料ガスは、燃焼ガスとともにバーナ１５に供給され改質用触媒を加熱する燃料として使用される。さらに、改質器１２に供給される原料ガスは発電に必要な所定流量になるように、差圧センサ１８、圧力センサ１９、温度センサ２０の信号から原料ガスの流量を演算手段２１で演算し、演算された原料ガス流量に基づいて原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御している。
【００３４】
原料ガス昇圧ポンプ１６により昇圧された後のガスの圧力は、原料ガスの流量に応じて数ｋＰａ〜十数ｋＰａ（ゲージ圧）の範囲で変動する。また昇圧の際に、脈動が生じる。上記本実施の形態では原料ガス昇圧ポンプ１６での昇圧後の原料ガス流量を差圧センサ１８、圧力センサ１９、温度センサ２０の各信号から演算手段２１により演算される。
【００３５】
差圧センサ１８により検出される圧力損失は圧力損失部１７を流れる原料ガスの体積流量と相関のある値である。また圧力センサ１９および温度センサ２０により検出される圧力と温度は、圧力損失部１７を流れる原料ガスを標準状態換算するときの補正に用いられる。つまり演算手段２１は、圧力損失からの体積流量の算出および圧力・温度補正を行なう。
【００３６】
すなわち上記本実施の形態における燃料電池システムの構成をとることにより、その体積流量と相関のある値が応答性の速い圧力損失として差圧で検知され、圧力・温度補正をするため、原料ガスの脈動に対して正確な原料流量を計測することを実現できる。さらに高価なマスフローメータのかわりに、安価な各センサ１８〜２０および演算手段２１を使用するため、より低コスト化された燃料電池システムを実現することができる。
【００３７】
上記について、本実施の形態の燃料電池システムと従来の燃料電池システムとを比較して説明する。すなわち、従来の燃料電池システムでは、マスフローメータにより原料の流量が計測されるものであった。すなわち、原料が原料ガス供給配管内を流れることによって、その原料の熱対流によって生じた上流側温度センサ付近の温度と下流側温度センサ付近の温度とに違いが生じる。従って、原料の体積流量と相関のある上流側温度センサ付近の温度と下流側温度センサ付近の温度との温度差を測定することによって原料の流量を測定することが出来るものである。
【００３８】
しかしながら、原料の流量が時間的に変化する場合でも正確に原料の流量を測定出来るためには、上流側温度センサや下流側温度センサには、原料の流量の時間的な変化による温度変化にも追随できるすばやい応答性が要求される。このように、原料の流量が時間的に変化する場合でも正確に原料の流量を測定するためには、すばやい応答性を有する高性能な温度センサが必要になり、このような温度センサは一般に高価である。
【００３９】
さらに、原料ガス供給配管内の原料の流れは、原料ガス昇圧ポンプ１６によって昇圧される際に脈動を生じる。そして、この脈動のために、マスフローメータ付近の原料の流れも層流ではなく乱流になり、従ってマスフローメータ付近の温度分布も図６に示した理想的な状態とは異なる複雑な分布になる。従って、上流側温度センサの温度と下流側温度センサの温度との温度差と、原料ガスの流量との相関が低下することになる。従って、上記のように例え高性能な温度センサを用いても、正確な流量は測定出来ないことになる。実際、原料の流れに脈動がある場合に、従来のマスフローメータを用いて原料の流量を測定したところ、実測値より低い流量値が得られた。
【００４０】
一方、本実施の形態では、体積流量に対して応答性の速い相関を有する圧力損失を差圧計１８により差圧で検知し、圧力・温度補正をする。圧力損失による差圧の体積流量に対する相関性は、一般に、従来のマスフローメータによる温度分布が体積流量に対する相関性よりも応答性が速い。このため、原料ガスが脈動する場合であっても、正確な原料流量を計測することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態における燃料電池システムでは「原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御することにより、原料ガスの流量を制御する」としたが、図６の従来例のように原料ガス流量調整弁を調整することにより原料ガスの流量を制御しても同様である。
【００４２】
なお、本実施の形態では、圧力計１９及び温度センサ２０を圧力損失部１７の上流側に配置するとして説明したが、これに限らず圧力計１９及び温度センサ２０を圧力損失部１７の下流側に配置してもよい。また、圧力計１９と温度センサ２０とをそれぞれ圧力損失部１７の上流側及び下流側に配置するまたは下流側及び上流側に配置してもよい。
【００４３】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムを示す構成図である。図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。
【００４４】
本実施の形態における燃料電池システムでは、原料ガス昇圧ポンプ１６は差圧センサ１８の圧力損失部１７下流側ポートより下流に位置する。また、図１の圧力センサ１９は必要としない。原料ガスとしては、本実施の形態における燃料電池システムでは都市ガス１３Ａを使用する。
【００４５】
本実施の形態における圧力損失部１７、差圧センサ１８、温度センサ２０、及び演算手段２１は、原料ガスの脈動に対しても正確な原料ガス流量を計測することを実現するための構成要素である。
【００４６】
燃料ガス生成部１４で燃料ガスに生成される原料ガスとしての都市ガス１３Ａは、ガス配管から安定した約２ｋＰａ（ゲージ圧）のガス圧で、付臭成分を除去された後にシステムに供給される。
【００４７】
供給された都市ガス１３Ａは、圧力損失部１７で原料ガス流量に応じた圧力損失を受けた後、原料ガス昇圧ポンプ１６にて昇圧され燃料ガス生成部１４に供給される。
【００４８】
また、改質器１２に供給される原料ガスは発電に必要な所定流量になるように、差圧センサ１８、及び温度センサ２０の信号から原料ガスの流量を演算手段２１で演算し、演算された原料ガス流量に基づいて原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御している。
【００４９】
原料ガス昇圧ポンプ１６により昇圧された後のガスの圧力は、原料ガスの流量に応じて数ｋＰａ〜十数ｋＰａ（ゲージ圧）の範囲で変動するが、本実施の形態における燃料電池システムの圧力損失部１７の上流側は安定したガス圧である都市ガス１３Ａ配管と接続されているため、圧力損失部１７の上流側圧力は約２ｋＰａ（ゲージ圧）で一定である。また、下流では原料ガス昇圧ポンプ１６が作動しているため、脈動も多少は生じる。
【００５０】
上記本実施の形態では原料ガス昇圧ポンプ１６での昇圧前の原料ガス流量を差圧センサ１８、及び温度センサ２０の各信号から演算手段２１により演算される。差圧センサ１８により検出される圧力損失は圧力損失部１７を流れる原料ガスの体積流量と相関のある値である。また温度センサ２０により検出される温度、および都市ガス１３Ａ配管のガス圧である２ｋＰａ（ゲージ圧）は、圧力損失部１７を流れる原料ガスを標準状態換算するときの補正に用いられる。つまり演算手段２１は、圧力損失からの体積流量の算出および圧力・温度補正を行なう。
【００５１】
都市ガス１３Ａの（低圧ラインでの）供給ガス圧は、約２ｋＰａ（ゲージ圧）であるが、ガス供給の都合により一般には１．０〜２．５ｋＰａ（ゲージ圧）の圧力範囲としている。すなわち１．０ｋＰａ（ゲージ圧）程度の低圧地域と２．５ｋＰａ（ゲージ圧）の高圧地域とが存在するということである。しかしながら、都市ガス１３Ａの（低圧ラインでの）供給ガス圧は、いずれの場合であっても、安定したガス圧として本実施の形態の燃料電池システムの原料ガス供給配管に供給される。そして、制御部２２には、予めこの安定したガス圧の圧力値が登録されている。
【００５２】
本実施の形態に示す演算手段２１では、圧力センサにより計測した原料の圧力値ではなく、上記のように予め登録されたガス圧の圧力値を用いる。このガス圧は、例えば２ｋＰａ（ゲージ圧）で一定であるとしている。
【００５３】
また、演算手段２１は、圧力補正を行う際に、理想的にはゲージ圧を絶対圧に換算し、絶対圧を用いて原料の流量を補正したほうが正確な補正を行うことが出来る。しかしながら、ゲージ圧が１．０〜２．５ｋＰａの範囲のいずれかの値の場合は、ゲージ圧と絶対圧との違いは、１％未満になる。すなわち、都市ガス１３ａの（低圧ラインでの）供給ガス圧は大気圧に比較して１００倍程度小さいからである。
【００５４】
そのため、本実施の形態に示すように供給都市ガスのガス圧を例えば２ｋＰａ（ゲージ圧）として絶対圧の代わりに用いたとしても演算上問題はない。
【００５５】
すなわち上記本実施の形態における燃料電池システムの構成をとることにより、その体積流量と相関のある値が応答性の速い圧力損失として差圧で検知され、圧力・温度補正をするため、原料ガスの脈動に対して正確な原料流量を計測することを実現できる。
【００５６】
しかも、供給ガス圧が安定しているため、圧力センサを取り除くことが可能になり、燃料電池システムの低コスト化を図ることが実現できる。さらに、差圧センサ１８と温度センサ２０に付加される圧力変動は０〜２ｋＰａ（ゲージ圧）程度と非常にすくないため、各センサ１８、２０の長寿命化・高信頼性を実現できる。
【００５７】
なお、本実施の形態における燃料電池システムでは原料ガスとして「都市ガス１３Ａを使用する」としたが、本実施の形態における燃料電池システムは、都市ガス１３Ａ以外でも安定したガス圧で供給することのできる原料ガスを使用する場合に有効である。その場合は、そのときの供給ガス圧の代表値を演算手段２１に用いる。
【００５８】
また、本実施の形態における燃料電池システムでは「原料ガス昇圧ポンプ１６の能力を制御することにより、原料ガスの流量を制御する」としたが、図６の従来例のように原料ガス流量調整弁を調整することにより原料ガスの流量を制御しても同様である。
【００５９】
さらに本実施の形態では、温度センサ２０を圧力損失部１７の上流側に配置するとして説明したが、これに限らず温度センサ２０を圧力損失部１７の下流側に配置してもよい。
【００６０】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態１および２に係る燃料電池システムを示す構成図における圧力損失部１７のより好ましい断面図である。本実施の形態における圧力損失部１７は、原料ガスの供給配管と接続する導入部２４と、燃料ガス生成部１４に原料ガスを供給する配管と接続する排出部２５と、流路径が縮小する急縮小部２６と、流路径が拡大される急拡大部２７とで構成される。このように、本実施の形態の圧力損失部１７は、その原料ガスが流れる流路に絞りが設けられた構成を有している。
【００６１】
図４に本実施の形態における圧力損失部の流量と圧力損失の関係と、直管部のみで構成された圧力損失部のそれとを示す。図４によると、本実施の形態における圧力損失部１７においてはなだらかな曲線で示される。そのため実験式等での近似も容易となる。例えば２次式や３次スプライン曲線で近似したり、また、ガス流量と圧力損失とを対応つけるテーブルを作成することも容易である。
【００６２】
しかし直管部のみのそれは、流量を増加させると流体状態が層流から乱流に移行するため、層流から乱流への遷移域では、複雑な流れになることにより、ガス流量と圧力損失との相関性を特定することが困難になる。このように、直管部のみの流量と圧力損失との関係は、途中で不連続になる。そのため実験式等での近似は複雑となる。さらに、層流から乱流への遷移域では、ガス流量と圧力損失との相関性が失われるので、例え、圧力損失を正確に計測したとしても、この計測値からガス流量を正確に求めることは出来なくなる。
【００６３】
また本実施の形態における圧力損失部１７は、急縮小部２６と急拡大部２７との間の内径を変更することで容易に圧力損失を調整できる。しかし直管部のそれは、内径を変更すると層流から乱流に移行する流量も変化するため、複雑である。また、内径を変更せずに管路長を変更することにより圧力損失を調整することも可能であるが、その場合、管路が必要圧力損失に比例して長くなるため、燃料電池システムのガス配管構成が複雑になるとともにサイズも大きくなる。
【００６４】
すなわち上記本実施の形態における燃料電池システムのより好ましい圧力損失部の構成をとることにより、演算手段２１における演算を容易にすることを実現でき、さらに、より小型・簡潔な燃料電池システムを実現することができる。
【００６５】
このように、本実施の形態によれば、原料を昇圧する昇圧手段を備える燃料電池システムにおいて、原料供給路に圧力損失部と、圧力損失部の圧力損失を検知する圧力損失検知手段と、圧力を検知する圧力検知手段と、原料の温度を検知する温度検知手段と、圧力損失と圧力と温度に基づいて原料の流量を演算する流量演算手段とを備えることにより、原料ガスの脈動に対して正確な原料流量を計測することを実現できる原料供給装置、及び燃料電池システムを提供することができる。またさらに、高価なマスフローメータのかわりに、安価なセンサおよび演算手段を使用するため、より低コスト化を実現する燃料電池システムを提供することができる。
【００６６】
また本実施の形態によれば、圧力損失部を原料供給路において原料昇圧手段より上流に位置することにより、圧力検知手段を取り除くことが可能となり、より低コスト化を実現できる燃料電池システムを提供することができる。またさらに、圧力損失検知手段と温度検知手段には付加される圧力変動は０〜２ｋＰａ（ゲージ圧）程度と非常にすくないため、圧力損失検知手段と温度検知手段の長寿命化・高信頼性を可能にする燃料電池システムを提供することができる。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、圧力損失部を流路の急縮小部と流路の急拡大部とを組み合わせたものとすることにより、圧力損失部の流量と圧力損失の関係を容易に演算手段に用いることができる燃料電池システムを提供することができる。またさらに、急縮小部の内径により容易に圧力損失を調整できるため、より小型・簡潔な原料供給装置及び燃料電池システムを提供することができる。
【００６８】
なお、本発明は、上述した本発明の燃料ガス生成装置の全部または一部の手段（または、装置、素子、回路、部等）の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。
【００７１】
また、本発明は、上述した本発明の燃料ガス生成装置の全部または一部の手段の全部または一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する媒体である。
【００７２】
なお、本発明の一部の手段とは、それらの複数の手段の内の、幾つかの手段を意味し、あるいは、一つの手段の内の、一部の機能または一部の動作を意味するものである。
【００７３】
また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。
【００７４】
また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【００７５】
また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【００７７】
また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。
【００７８】
また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。
【００７９】
なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、原料の脈動に対しても正確な原料流量を計測することを実現できる燃料ガス生成装置、燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムを提供することが出来る。
【００８１】
また、本発明は、より小型・簡潔で低コスト化を実現できる燃料ガス生成装置、燃料電池システム、燃料ガス生成装置の運転方法、媒体、及びプログラムを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】 実施の形態２における燃料電池システムを示す構成図である。
【図３】 実施の形態３における圧力損失部を示す断面図である。
【図４】 実施の形態３における圧力損失部の流量と圧力損失の関係を示す図である。
【図５】 従来の燃料電池システムを示す構成図である。
【図６】 従来技術の流量計測の原理を示す図である。
【符号の説明】
１、１１ 燃料電池
２、１２ 改質器
３、１３ 一酸化炭素除去器
４、１４ 燃料ガス生成器
５、１５ バーナ
６、１６ 原料ガス昇圧ポンプ
７ 原料ガス流量計
８ 原料ガス流量調整弁
９、２２ 制御部
１０、２３ 空気ブロア
１７ 圧力損失部
１８ 差圧センサ
１９ 圧力センサ
２０ 温度センサ
２１ 演算手段
２４ 導入部
２５ 排出部
２６ 急縮小部
２７ 急拡大部
Claims (11)
- 所定の原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記燃料生成手段よりも上流、かつ前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知手段と、
前記圧力損失部の上流側または下流側における前記原料ガスの圧力を検知する圧力検知手段と、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知手段と、
検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段とを備えた燃料ガス生成装置。 - 原料ガスを配送するガス配管からの原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記原料昇圧手段よりも上流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知手段と、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知手段と、
前記原料昇圧手段の能力を制御する制御手段と、
検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段とを備え、
前記制御手段が、その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する、燃料ガス生成装置。 - 前記圧力損失部は、その原料ガスが流れる流路に絞りが設けられた構成を有している請求項１又は２に記載の燃料ガス生成装置。
- 前記燃料生成手段は、昇圧された前記燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器と、
生成された前記改質ガスから一酸化炭素の濃度を低減して前記燃料ガスを生成する一酸化炭素除去器とを有する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料ガス生成装置。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料ガス生成装置と、
生成された前記燃料ガスと、供給される酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システム。 - 所定の原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記燃料生成手段よりも上流、かつ前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部とを備えた燃料ガス生成装置を制御する燃料ガス生成装置の運転方法であって、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知ステップと、
前記圧力損失部の上流側または下流側における前記原料ガスの圧力を検知する圧力検知ステップと、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知ステップと、
検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算ステップと、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御ステップとを備えた燃料ガス生成装置の運転方法。 - 原料ガスを配送するガス配管からの原料ガスを供給する原料供給路と、
前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスを昇圧する原料昇圧手段と、
前記原料昇圧手段よりも下流の前記原料供給路に設けられ、その昇圧された前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料生成手段と、
前記原料昇圧手段よりも上流の前記原料供給路に設けられ、前記原料ガスの圧力を低減させる圧力損失部と、
前記原料昇圧手段の能力を制御する制御手段とを備えた燃料ガス生成装置を制御する燃料ガス生成装置の運転方法であって、
前記圧力損失部の前後における前記原料ガスの圧力差を検知する圧力損失検知ステップと、
前記圧力損失部における前記原料ガスの温度を検知する温度検知ステップと、
検知された前記圧力差、及び前記ガス配管における前記原料ガスに関する、前記制御手段に予め登録された圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算ステップと、
前記制御手段が、その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御ステップとを備えた燃料ガス生成装置の運転方法。 - 請求項１記載の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムを担持した媒体であって、コンピュータにより処理可能である媒体。 - 請求項２記載の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムを担持した媒体であって、コンピュータにより処理可能である媒体。 - 請求項１記載の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び検知された前記圧力、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。 - 請求項２記載の燃料ガス生成装置の、検知された前記圧力差、及び前記制御手段に予め登録された、前記ガス配管から供給される前記原料ガスの圧力情報、及び検知された前記温度を利用して前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を求める流量演算手段と、
その求められた流量に基づいて前記原料昇圧手段の能力を制御し、前記原料供給路から供給される前記原料ガスの流量を制御する制御手段との全部または一部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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