JP6466221B2

JP6466221B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP6466221B2
Application number: JP2015062053A
Authority: JP
Inventors: 潤岩見; 沙奈細川; 覚上野山
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: JP2016181460A

Description

本発明は、炭化水素系の燃料ガスを燃料として用いて発電を行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity using a hydrocarbon fuel gas as a fuel.

炭化水素系の燃料ガス（例えば、ＬＰガスなど）を用いて発電を行う燃料電池システムとして、燃料ガス供給流路に配設された燃料ガスポンプと、水供給流路に配設された水ポンプと、燃料ガスを改質用水を用いて水蒸気改質するための改質器と、改質器からの改質燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池（例えば、燃料電池セルスタック）とを備え、燃料ガス供給流路に熱式質量流量検知手段及び熱量検知手段を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。 As a fuel cell system for generating power using hydrocarbon fuel gas (for example, LP gas), a fuel gas pump disposed in a fuel gas supply channel, a water pump disposed in a water supply channel, A reformer for steam reforming the fuel gas using reforming water, and a fuel cell (for example, a fuel cell stack) that generates power using the reformed fuel gas from the reformer, A fuel gas supply channel provided with a thermal mass flow rate detection means and a heat quantity detection means is known (for example, see Patent Document 1).

この燃料電池システムでは、熱式質量流量検知手段は燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガスの流量を検知し、また熱量検知手段は燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの熱容量を検知し、この熱量検知手段による検知熱容量に基づいて燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガスの供給流量を制御している。 In this fuel cell system, the thermal mass flow rate detection means detects the flow rate of the fuel gas supplied through the fuel gas supply flow path, and the heat quantity detection means detects the heat capacity of the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path, The supply flow rate of the fuel gas supplied through the fuel gas supply channel is controlled based on the detected heat capacity by the heat quantity detection means.

燃料ガスの組成が変わると、燃料ガスの燃料利用率（ここでの燃料利用率とは、供給した燃料ガスのうち燃料電池の発電反応に寄与した燃料ガスの割合をいう）及び改質器での水蒸気改質反応におけるＳ／Ｃ（ここでのＳ／Ｃとは、炭化水素系の燃料ガス中の炭化モル数（Ｃ）に対する水蒸気モル数（Ｓ）の比率をいう）が変動し、これらの変動は、燃料電池の発電効率の低下、また燃料電池の耐久性の低下（例えば、カーボンの析出など）の原因となるが、燃料ガスの組成に基づいてその供給流量を所要の通りに制御している。 When the composition of the fuel gas changes, the fuel utilization rate of the fuel gas (the fuel utilization rate here means the proportion of the supplied fuel gas that contributes to the power generation reaction of the fuel cell) and the reformer S / C in the steam reforming reaction (where S / C refers to the ratio of the number of moles of steam (S) to the number of moles of carbonization (C) in the hydrocarbon fuel gas) Although fluctuations in the fuel cell cause reduction in fuel cell power generation efficiency and fuel cell durability (for example, carbon deposition), the supply flow rate is controlled as required based on the fuel gas composition. doing.

特開２０１３−１９６９１１号公報JP 2013-196911 A

しかし、上述した燃料電池システムには、次の通りの解決すべき問題がある。即ち、熱量検知手段として、音速−発熱量関係指標に基づいて燃料ガスの熱容量を検知するものを用いており、このようなタイプの熱量検知手段を適用する場合、高価な超音波流速計を別途必要となる。また、熱量検知手段として、燃料ガスの燃焼熱を利用して燃料ガスの熱容量を検知するものも開示されているが、このタイプの熱量検知手段を適用する場合、燃料ガスを燃焼させるための燃焼バーナ及び燃焼温度を検知するための温度検知手段を別途必要となる。このような構成部品（超音波流速計、或いは燃焼バーナ及び温度検知手段）を別途設けることは、製作コストが上昇するとともに、システムの構成が複雑に且つ大型化する問題がある。 However, the fuel cell system described above has the following problems to be solved. That is, as the calorific value detection means, one that detects the heat capacity of the fuel gas based on the sonic velocity-calorific value relation index is used. When applying such a calorific value detection means, an expensive ultrasonic velocimeter is separately provided. Necessary. In addition, as a calorific value detection means, one that detects the heat capacity of the fuel gas by using the combustion heat of the fuel gas is also disclosed, but when this type of calorific value detection means is applied, combustion for burning the fuel gas is disclosed. A temperature detecting means for detecting the burner and the combustion temperature is separately required. Providing such components separately (ultrasonic velocimeter, or combustion burner and temperature detection means) raises the problem that the manufacturing cost increases and the system configuration is complicated and large.

本発明の目的は、燃料ガスの組成変動が生じても燃料電池の発電効率の低下などを抑えることができる燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing a decrease in power generation efficiency of the fuel cell even when the composition variation of the fuel gas occurs.

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料ガスを燃料ガス供給流路を通して供給するための燃料ガス供給手段と、水供給流路を通して改質用水を供給するための水供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスを前記水供給手段からの前記改質用水を用いて水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するためのコントローラと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路には、前記燃料ガスのガス容積を測定するための容積式ポンプ及び前記燃料ガスのガス熱容量を測定するための熱線式ガス流量計が配設され、前記コントローラは、前記燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量を演算するためのガス熱容量演算手段と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの供給流量を演算するための燃料ガス供給流量演算手段とを含んでおり、
前記容積式ポンプは、前記燃料ガス供給流路を通して供給された単位時間当たりの通過ガス容積を計測し、前記熱式ガス流量計は、前記燃料ガス供給流路を通して供給された単位時間当たりの通過ガス熱容量を計測し、前記ガス熱容量演算手段は、前記容積式ポンプによる前記単位時間当たりの通過ガス容積及び前記熱線式ガス流量計による前記単位時間当たりの通過ガス熱容量に基づいて、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの単位体積当たりの通過ガス熱容量を演算し、前記燃料ガス供給流量演算手段は、発電出力と燃料ガスの熱容量との関係を示す発電出力／ガス熱容量データを用い、前記ガス熱容量演算手段による前記単位時間当たり通過ガス熱容量に基づいて前記燃料ガス供給流路を通して供給する燃料ガス供給流量を演算し、前記コントローラは、前記燃料ガス供給流量演算手段により演算した前記燃料ガス供給流量となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする。 A fuel cell system according to claim 1 of the present invention is a fuel gas supply means for supplying hydrocarbon-based fuel gas through a fuel gas supply flow path, and for supplying reforming water through the water supply flow path. A water supply means, a reformer for steam reforming the fuel gas from the fuel gas supply means using the reforming water from the water supply means, and reformed by the reformer A fuel cell system comprising: a fuel cell that generates electricity using a reformed fuel gas as an anode gas and air as a cathode gas; and a controller for controlling the fuel gas supply means and the water supply means,
The fuel gas supply channel is provided with a positive displacement pump for measuring the gas volume of the fuel gas and a hot-wire gas flow meter for measuring the gas heat capacity of the fuel gas, and the controller includes the controller Gas heat capacity calculating means for calculating a gas heat capacity per unit volume of fuel gas, and fuel gas supply flow rate calculating means for calculating a supply flow rate of the fuel gas supplied through the fuel gas supply flow path And
The positive displacement pump measures a passing gas volume per unit time supplied through the fuel gas supply flow path, and the thermal gas flow meter passes through the fuel gas supply flow path per unit time. Gas heat capacity is measured, and the gas heat capacity calculating means supplies the fuel gas based on the passing gas volume per unit time by the positive displacement pump and the passing gas heat capacity per unit time by the hot-wire gas flow meter. The passage gas heat capacity per unit volume of the fuel gas supplied through the flow path is calculated, and the fuel gas supply flow rate calculation means uses the power generation output / gas heat capacity data indicating the relationship between the power generation output and the heat capacity of the fuel gas. a fuel gas supply fed through the fuel gas supply passage on the basis of the passing gas heat capacity per unit time by the gas heat capacity calculating means Calculates the flow rate, the controller, and controls the fuel gas supply means so that the fuel gas supply flow rate computed by the fuel gas supply flow rate calculating means.

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記燃料ガス供給流路は、燃料ガスが充填されたガスボンベに接続され、前記ガスボンベからの燃料ガスが前記燃料ガス供給流路を通して前記改質器に供給され、前記コントローラは、前記ガスボンベのボンベ使用率を演算するためのボンベ使用率演算手段を含んでいることを特徴とする。 In the fuel cell system according to claim 2 of the present invention, the fuel gas supply channel is connected to a gas cylinder filled with fuel gas, and the fuel gas from the gas cylinder passes through the fuel gas supply channel. The controller is supplied to the reformer, and the controller includes a cylinder usage rate calculating means for calculating a cylinder usage rate of the gas cylinder.

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、前記燃料電池の発電状態を停止移行させるかを判定するための停止移行判定手段を含み、前記停止移行判定手段は、前記ボンベ使用率演算手段により演算された前記ボンベ使用率に基づいて停止移行を判定することを特徴とする。 Further, in the fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the controller includes a stop transition determination unit for determining whether to stop and shift the power generation state of the fuel cell, and the stop transition determination unit includes: Stop transition is determined based on the cylinder usage rate calculated by the cylinder usage rate calculating means.

本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、更に、前記ガスボンベから供給される前記燃料ガスのガス積算使用量を演算するためのガス積算使用量演算手段を含み、前記ガス積算使用量演算手段は、前記容積式ポンプによる前記単位時間当たりの通過ガス容積に基づいて前記ガス積算使用量を演算し、前記ボンベ使用率演算手段は、前記ガス積算使用量演算手段による前記ガス積算使用量及び／又は前記ガス熱容量演算手段による前記単位体積当たりの通過ガス熱容量に基づいて前記ボンベ使用率を演算し、前記停止移行判定手段は、前記ボンベ使用率演算手段による前記ボンベ使用率が所定ボンベ使用率に達すると停止移行と判定し、前記コントローラは前記燃料電池を停止移行させることを特徴とする。 In the fuel cell system according to claim 4 of the present invention, the controller further includes a gas integrated use amount calculating means for calculating a gas integrated use amount of the fuel gas supplied from the gas cylinder. accumulated amount calculating means calculates said gas accumulated amount based on the passing gas volume per unit time by the displacement pump, the cylinder utilization calculating means, the gas by the gas accumulated amount calculating means The cylinder usage rate is calculated based on the accumulated usage amount and / or the passing gas heat capacity per unit volume by the gas heat capacity calculating means, and the stop transition determining means is configured such that the cylinder usage rate by the cylinder usage rate calculating means is When a predetermined cylinder usage rate is reached, it is determined that the shift is stopped, and the controller shifts the fuel cell to stop.

本発明の請求項５に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、計時するためのタイマ手段又は前記燃料ガスのガス積算使用量を演算するためのガス積算使用量演算手段を含み、前記タイマ手段が設定時間を計時する又は前記ガス積算使用量演算手段が設定積算使用量を計測すると、前記容積式ポンプは、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの前記単位時間当たりの通過ガス容積を測定し、前記熱線式ガス流量計は、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの前記単位時間当たりの通過ガス熱容量を測定することを特徴とする。 In the fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the controller includes timer means for measuring time or gas integrated use amount calculating means for calculating the gas integrated use amount of the fuel gas, and the timer means. When There timed to or the gas accumulated amount calculating means set time measures the set accumulated amount, the displacement pump is passed through a gas per unit time of the fuel gas supplied through the fuel gas supply passage the volume is measured, the hot-wire gas flow meter, and measuring the passing gas heat capacity per unit time of the fuel gas supplied through the fuel gas supply passage.

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、容積式ポンプは燃料供給流路を通して供給された単位時間当たりの燃料ガスの通過ガス容積を計測し、また熱線式ガス流量計は燃料ガス供給流路を通して供給された単位時間当たりの燃料ガスの通過ガス熱容量を計測し、ガス熱容量演算手段はこの単位時間当たりの通過ガス容積及びこの単位時間当たりの通過ガス熱容量に基づいて、燃料ガスの単位体積当たりの通過ガス熱容量を演算するので、この単位体積当たりの通過ガス熱容量を正確に演算することができる。そして、燃料ガス供給流量演算手段は、発電出力と燃料ガスの熱容量との関係を示す発電電力／ガス熱容量データを用い、ガス熱容量演算手段による単位体積当たりの通過ガス熱容量に基づいて燃料ガス供給流路を通して供給する燃料ガス供給流量を演算するので、燃料ガスの組成が変動してもそのガス組成に対応した燃料ガス供給流量を正確に演算することができ、従って、この燃料ガス供給流量を供給するように燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの組成に関係なく改質器（換言すると、燃料電池）に所望量の燃料ガスを供給することができ、その結果、燃料ガスの組成変動に伴う燃料電池の発電効率や耐久性の低下を抑えることができる。 According to the fuel cell system of the first aspect of the present invention, the positive displacement pump measures the passing gas volume of the fuel gas per unit time supplied through the fuel supply passage, and the hot wire gas flow meter The passing gas heat capacity of the fuel gas supplied through the gas supply channel per unit time is measured, and the gas heat capacity calculating means calculates the fuel gas based on the passing gas volume per unit time and the passing gas heat capacity per unit time. Since the passage gas heat capacity per unit volume is calculated, the passage gas heat capacity per unit volume can be accurately calculated. The fuel gas supply flow rate calculation means uses the generated power / gas heat capacity data indicating the relationship between the power generation output and the heat capacity of the fuel gas, and uses the fuel gas supply flow rate based on the passing gas heat capacity per unit volume by the gas heat capacity calculation means. Since the fuel gas supply flow rate supplied through the road is calculated, even if the fuel gas composition fluctuates, the fuel gas supply flow rate corresponding to the gas composition can be calculated accurately, and therefore this fuel gas supply flow rate is supplied. By controlling the fuel gas supply means, a desired amount of fuel gas can be supplied to the reformer (in other words, the fuel cell) regardless of the composition of the fuel gas. As a result, the composition of the fuel gas A decrease in power generation efficiency and durability of the fuel cell due to fluctuations can be suppressed.

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、ガスボンベからの燃料ガスが燃料ガス供給流路を通して前記改質器に供給され、このようにガスボンベを用いる場合、ガス熱容量演算手段により演算されたガス熱容量に基づいてボンベ使用率（即ち、ガスボンベに充填された燃料ガスの使用率）を演算することができ、このようにボンベ使用率を演算することにより、ガスボンベの交換時期を知ることができる。 According to the fuel cell system of claim 2 of the present invention, the fuel gas from the gas cylinder is supplied to the reformer through the fuel gas supply flow path. When the gas cylinder is used in this way, the gas heat capacity calculating means The cylinder usage rate (that is, the usage rate of the fuel gas filled in the gas cylinder) can be calculated based on the gas heat capacity calculated by the above. By calculating the cylinder usage rate in this way, the replacement timing of the gas cylinder can be determined. I can know.

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、停止移行判定手段は、ボンベ使用率演算手段により演算されたボンベ使用率を用いて停止移行を判定するので、ボンベに充填された燃料ガスを全て使用する前の適切な時期に燃料電池を正常に停止移行させることができ、これによって、運転中に燃料ガスがなくなって（所謂、ガス欠が生じて）燃料電池を緊急停止させるような事態を防ぐことができる。 In the fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the stop shift determination means determines stop shift using the cylinder usage rate calculated by the cylinder usage rate calculation means, so that the cylinder is filled. The fuel cell can be normally stopped and transferred at an appropriate time before using all of the fuel gas, so that the fuel cell runs out during operation (so-called out of gas occurs) and the fuel cell is stopped urgently. Can be prevented.

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、ガス積算使用量演算手段は、容積式ポンプによる単位時間当たりの通過ガス容積に基づいてガス積算使用量を演算し、ボンベ使用率演算手段は、ガス積算使用量演算手段によるガス積算使用量及び／又はガス熱容量演算手段による単位体積当たりの通過ガス熱容量に基づいてボンベ使用率を演算し、停止移行判定手段は、このボンベ使用率が所定ボンベ使用率に達すると停止移行と判定し燃料電池が停止移行されるので、ガスボンベ内に燃料ガスが残っている状態で燃料電池を安全に停止させることができる。 According to the fuel cell system of claim 4 of the present invention, the gas integrated usage amount calculating means calculates the gas integrated usage amount based on the passing gas volume per unit time by the positive displacement pump , and uses the cylinder. The rate calculating means calculates the cylinder usage rate based on the accumulated gas usage by the gas accumulated usage calculating means and / or the passing gas heat capacity per unit volume by the gas heat capacity calculating means, and the stop transition judging means uses this cylinder When the rate reaches the predetermined cylinder usage rate, it is determined that the fuel cell is stopped and the fuel cell is stopped and shifted, so that the fuel cell can be safely stopped with the fuel gas remaining in the gas cylinder.

更に、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムによれば、タイマ手段が設定時間を計時する（又はガス積算使用量演算手段が設定積算使用量を計測する）と、容積式ポンプが燃料ガスの単位時間当たりの通過ガス容積を測定し、また熱線式ガス流量計が燃料ガスの単位時間当たりの通過ガス熱容量を測定するので、設定時間（例えば、１時間）毎に（又は設定積算使用量毎に）単位体積当たりの通過ガス熱容量を演算し、この通過ガス熱容量を用いて燃料ガス供給流量を演算することによって、燃料ガスの組成変動を簡易的に確認しながら燃料ガスの組成変動に伴う燃料電池の発電効率や耐久性の低下を抑えることができる。 Furthermore, according to the fuel cell system of the fifth aspect of the present invention, when the timer means counts the set time (or the gas integrated use amount calculating means measures the set integrated use amount), the positive displacement pump is operated as a fuel. Measures the gas passing gas volume per unit time and the hot-wire gas flow meter measures the gas passing gas heat capacity per unit time of fuel gas, so every set time (for example, 1 hour) (or set integration use) By calculating the passing gas heat capacity per unit volume (by volume) and calculating the fuel gas supply flow rate using this passing gas heat capacity, the fuel gas composition fluctuation can be easily confirmed while checking the fuel gas composition fluctuation. The accompanying reduction in power generation efficiency and durability of the fuel cell can be suppressed.

本発明に従う燃料電池システムの第１の実施形態を示す全体図。1 is an overall view showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. ＬＰガスをガスタンクに満充填したときにおけるガスボンベのボンベ使用率とこのガスボンベから供給される燃料ガスの組成（炭水水素の濃度）との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the cylinder usage rate of a gas cylinder when LP gas is fully filled in a gas tank, and the composition (concentration of hydrocarbon water) of the fuel gas supplied from this gas cylinder. 図１の燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。The block diagram which shows simply the control system of the fuel cell system of FIG. 図３の制御系による燃料電池の運転の流れを示すフローチャート。4 is a flowchart showing a flow of operation of the fuel cell by the control system of FIG. 3. 本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態を示す全体図。The whole figure which shows 2nd Embodiment of the fuel cell system according to this invention. 図５の燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。The block diagram which shows simply the control system of the fuel cell system of FIG. 図６に示す制御系による燃料電池の停止移行運転への流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow to the stop transfer operation of the fuel cell by the control system shown in FIG. 設定時間毎における燃料ガスのガス熱容量を簡略的に示す図。The figure which shows simply the gas heat capacity of the fuel gas for every set time.

以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの実施形態について説明する。尚、この実施形態では、燃料電池システムとして固体酸化物形燃料電池を用いたものに適用して説明するが、燃料ガスを水蒸気改質する改質器を備えた他の形態の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池などを用いたものにも同様に適用することができる。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this embodiment, the description is applied to a fuel cell system using a solid oxide fuel cell. However, another embodiment of a fuel cell including a reformer for steam reforming a fuel gas, for example, The present invention can be similarly applied to a battery using a polymer electrolyte fuel cell.

先ず、図１〜図５を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。図１において、図示の燃料電池システム２は、炭化水素系の燃料ガス（例えば、ＬＰガスなど）を消費して発電を行うものであり、改質用水を気化させて水蒸気を生成するための気化器４と、燃料ガスを水蒸気を用いて改質するための改質器６と、改質器６にて改質された改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池８（例えば、セルスタック）と、を備えている。 First, with reference to FIGS. 1-5, 1st Embodiment of the fuel cell system according to this invention is described. In FIG. 1, the illustrated fuel cell system 2 consumes hydrocarbon fuel gas (for example, LP gas) to generate electric power, and vaporizes to generate water vapor by evaporating reforming water. , A reformer 6 for reforming the fuel gas using water vapor, and a fuel that generates power using the reformed fuel gas reformed by the reformer 6 as an anode gas and air as a cathode gas A battery 8 (for example, a cell stack).

この燃料電池８は、例えば、複数の固体酸化物形の電池セルを集電部材を介して積層して構成され、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極（空気極）とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。 The fuel cell 8 is configured by, for example, laminating a plurality of solid oxide battery cells via a current collecting member, and although not shown, a solid electrolyte that conducts oxygen ions and one of the solid electrolytes. For example, zirconia doped with yttria is used as the solid electrolyte, which includes a fuel electrode provided on the side and an oxygen electrode (air electrode) provided on the other side of the solid electrolyte.

燃料電池８の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路１０を介して改質器６に接続され、この改質器６は、ガス・水蒸気送給流路１２を介して気化器４に接続されている。気化器４は、燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１６（例えば、ガスボンベなど）に接続され、この燃料ガス供給流路１４に容積式ポンプ１８、熱線式ガス流量計２０及び燃料ガスポンプ２１（燃料ガス供給手段を構成する）が下流側に向けてこの順に配設されている。燃料ガスポンプ２１は、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスを気化器４に送給し、容積式ポンプ１８は燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスのガス容積を測定し、熱線式ガス流量計２０は燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスのガス熱容量を測定する。尚、燃料ガス供給流路１４を気化器４に接続することに代えて、改質器６に直接的に接続するようにしてもよい。 The introduction side of the fuel electrode of the fuel cell 8 is connected to the reformer 6 via the reformed fuel gas feed channel 10, and the reformer 6 is vaporized via the gas / steam feed channel 12. Connected to the device 4. The vaporizer 4 is connected to a fuel gas supply source 16 (for example, a gas cylinder) for supplying fuel gas via a fuel gas supply flow path 14, and a positive displacement pump 18, a heat wire is connected to the fuel gas supply flow path 14. A gas flow meter 20 and a fuel gas pump 21 (constituting fuel gas supply means) are arranged in this order toward the downstream side. The fuel gas pump 21 supplies the fuel gas from the fuel gas supply source 16 to the carburetor 4, and the positive displacement pump 18 measures the gas volume of the fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 14, and the hot-wire gas flow meter 20 measures the gas heat capacity of the fuel gas flowing through the fuel gas supply channel 14. Instead of connecting the fuel gas supply channel 14 to the vaporizer 4, it may be connected directly to the reformer 6.

燃料ガス供給手段としての燃料ガスポンプ２１は、例えば、電圧に比例して回転数が変動する形態のものが用いられ、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量が増大（又は減少）する。尚、燃料ガス供給手段として、燃料ガスポンプと流量制御弁とを組み合わせたものなどを用い、この流量制御弁により燃料ガスの供給流量を制御するようにしてもよい。 The fuel gas pump 21 serving as the fuel gas supply means has, for example, a configuration in which the rotation speed varies in proportion to the voltage. When the supplied voltage increases (or decreases), the rotation speed increases (or decreases). And the supply flow rate of the fuel gas supplied through the fuel gas supply flow path 14 increases (or decreases). A combination of a fuel gas pump and a flow rate control valve may be used as the fuel gas supply means, and the flow rate of the fuel gas may be controlled by this flow rate control valve.

気化器４は、水供給流路２２を介して水供給源２４（例えば、水タンクなど）に接続され、この水供給流路２２に水ポンプ２６（水供給手段）が配設されている。この水ポンプ２６は、水供給源２４からの改質用水を気化器４に供給する。 The vaporizer 4 is connected to a water supply source 24 (for example, a water tank) via a water supply flow path 22, and a water pump 26 (water supply means) is disposed in the water supply flow path 22. The water pump 26 supplies the reforming water from the water supply source 24 to the vaporizer 4.

水供給手段としての水ポンプ２６は、例えば、燃料ガスポンプ２１と同様に、電圧に比例して回転数が変動する形態のものが用いられ、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、水供給流路２２を通して供給される改質用水の供給流量が増大（又は減少）する。 As the water pump 26 as the water supply means, for example, in the same way as the fuel gas pump 21, a pump whose rotational speed fluctuates in proportion to the voltage is used, and when the supplied voltage increases (or decreases), the rotation The number increases (or decreases), and the supply flow rate of the reforming water supplied through the water supply flow path 22 increases (or decreases).

このように構成されているので、燃料ガス供給源１６からの炭化水素系の燃料ガスは、燃料ガス供給流路１４を通して気化器４に送給され、この気化器４からガス・水蒸気送給流路１２を通して改質器６に送給される。また、水供給源２４からの改質用水は、水供給流路２２を通して気化器４に送給され、この気化器４において気化されて水蒸気となり、この水蒸気がガス・水蒸気送給流路１２を通して改質器６に送給される。改質器６では、燃料ガスが水蒸気により水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路１０を通して燃料電池セルスタック８の燃料極側に送給される。 With this configuration, the hydrocarbon-based fuel gas from the fuel gas supply source 16 is supplied to the carburetor 4 through the fuel gas supply flow path 14, and the gas / steam supply flow from the carburetor 4. It is fed to the reformer 6 through the path 12. Further, the reforming water from the water supply source 24 is supplied to the vaporizer 4 through the water supply flow path 22, and is vaporized in the vaporizer 4 to become water vapor. This water vapor passes through the gas / water vapor supply flow path 12. It is fed to the reformer 6. In the reformer 6, the fuel gas is steam reformed with steam, and the reformed fuel gas subjected to steam reforming is fed to the fuel electrode side of the fuel cell stack 8 through the reformed fuel gas feed channel 10. .

この燃料電池８の酸素極の導入側は、空気供給流路２８を介して大気に開放されており、かかる空気供給流路２８に空気ブロア３０（空気供給手段）が配設されている。空気ブロア３０は、カソードガスとしての空気を燃料電池８の酸素極側に送給する。 The oxygen electrode introduction side of the fuel cell 8 is opened to the atmosphere via an air supply passage 28, and an air blower 30 (air supply means) is disposed in the air supply passage 28. The air blower 30 supplies air as the cathode gas to the oxygen electrode side of the fuel cell 8.

空気供給手段として空気ブロア３０は、例えば、燃料ガスポンプ２１及び水ポンプ２６と同様に、電圧に比例して回転数が変動する形態のものが用いられ、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、空気供給流路２８を通して供給される空気の供給流量が増大（又は減少）する。 As the air supply means, the air blower 30 is used, for example, in the same manner as the fuel gas pump 21 and the water pump 26, and the number of revolutions varies in proportion to the voltage, and the supplied voltage increases (or decreases). The rotational speed increases (or decreases), and the supply flow rate of air supplied through the air supply flow path 28 increases (or decreases).

燃料電池８の燃料極及び酸素極の排出側には燃焼域３４が設けられ、燃料電池８の一端から排出された反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）と酸素極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とが、この燃焼域３４に送給されて燃焼される。燃焼域３４には排気ガス排出流路３６が連通され、その排出側は大気に開放され、燃焼域３４からの排気ガスが排気ガス排出流路３６を通して大気に排出される。 A combustion zone 34 is provided on the discharge side of the fuel electrode 8 and the oxygen electrode of the fuel cell 8, and the reaction fuel gas (including excess fuel gas) discharged from one end of the fuel cell 8 and the oxygen electrode side are discharged. Air (containing oxygen) is supplied to the combustion zone 34 and burned. An exhaust gas discharge passage 36 is communicated with the combustion zone 34, the discharge side thereof is opened to the atmosphere, and the exhaust gas from the combustion zone 34 is discharged to the atmosphere through the exhaust gas discharge passage 36.

この実施形態では、気化器４、改質器６、燃料電池８及び燃焼域３４が収容ハウジング３８に収容されている。図示の収容ハウジング３８は、金属製（例えば、ステンレス鋼製）のハウジング本体４０を備え、このハウジング本体４０の内面を覆うように断熱部材（図示せず）が配設され、この断熱部材の内側に高温室４２が規定され、気化器４、改質器６及び燃料電池８は、この高温室４２内で高温状態に保たれ、高温室４２内の熱を利用して、気化器４において改質用水の気化が行われ、また改質器６において燃料ガスの水蒸気改質が行われる。 In this embodiment, the vaporizer 4, the reformer 6, the fuel cell 8 and the combustion zone 34 are accommodated in the accommodation housing 38. The illustrated housing 38 includes a housing body 40 made of metal (for example, stainless steel), and a heat insulating member (not shown) is disposed so as to cover the inner surface of the housing main body 40. The high temperature chamber 42 is defined, and the vaporizer 4, the reformer 6, and the fuel cell 8 are kept in a high temperature state in the high temperature chamber 42, and are modified in the vaporizer 4 using the heat in the high temperature chamber 42. The quality water is vaporized, and the reformer 6 performs steam reforming of the fuel gas.

このような燃料電池システム２では、発電効率の低下などを抑えるために、改質器６における水蒸気改質ではＳ／Ｃを一定値（例えば、２．０程度）に維持するとともに、燃料電池８での燃料利用率を所定範囲（例えば、６５〜７０％程度）に維持するように、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量が制御される。 In such a fuel cell system 2, in order to suppress a decrease in power generation efficiency and the like, the steam reforming in the reformer 6 maintains the S / C at a constant value (for example, about 2.0), and the fuel cell 8 The supply flow rate of the fuel gas supplied through the fuel gas supply flow path 14 is controlled so that the fuel utilization rate at is maintained within a predetermined range (for example, about 65 to 70%).

燃料ガス供給源１６から供給される燃料ガスは、例えばガスボンベに充填された燃料ガス（例えば、ＬＰガス）を用いたときにはそのガス組成が変動し、ガス組成が変動したときには、そのガス組成に対応して燃料ガス供給流量も変動するようにするのが望まれる。 The fuel gas supplied from the fuel gas supply source 16 changes in its gas composition when, for example, fuel gas (for example, LP gas) filled in a gas cylinder is used, and corresponds to the gas composition when the gas composition changes. Thus, it is desirable that the fuel gas supply flow rate also varies.

例えば、燃料ガスとしてＬＰガスを用いた場合、このＬＰガスの大部分はプロパンであるが、エタン、ブタン、イソブタンなども含まれている。ガスボンベに充填されたＬＰガスは、図２に示すように、ガスボンベのボンベ使用率に応じてガス組成が変動し、これに伴ってガス熱容量も変動する。ＬＰガスを満充填したガスボンベを使用する場合、使用初期（ガスボンベの使用率が０〜８０％の範囲）においては、プロパンが主体とした燃料ガスが供給され、そのガス熱容量は９１ＭＪ／ｍ^３程度であるが、使用後期（ガスボンベの使用率が８０％を超える）と、プロパンの含有量が減少するのに対しブタン及びイソブタンの含有量が増加した燃料ガスが供給され、そのガス熱容量は９５ＭＪ／ｍ^３程度に上昇する。 For example, when LP gas is used as the fuel gas, most of the LP gas is propane, but ethane, butane, isobutane, and the like are also included. As shown in FIG. 2, the LP gas filled in the gas cylinder has a gas composition that varies depending on the gas cylinder usage rate, and the gas heat capacity also varies accordingly. When using a gas cylinder fully filled with LP gas, propane-based fuel gas is supplied in the initial stage of use (the range of use of the gas cylinder is 0 to 80%), and its gas heat capacity is about 91 MJ / m ^3. However, in the latter period of use (the gas cylinder usage rate exceeds 80%), fuel gas with increased content of butane and isobutane was supplied while the content of propane decreased, and its gas heat capacity was 95 MJ / to rise to about m ^3.

このようなことから、この燃料電池システム２では、上述したように、燃料ガス供給流路１４に容積式ポンプ１８及び熱線式ガス流量計２０が設けられ、この容積式ポンプ１８は、燃料ガスのガス容積を計測し、熱線式ガス流量計２０は、この燃料ガスのガス熱容量を計測し、容積式ポンプ１８の計測ガス容積及び熱線式ガス流量計２０の計測ガス熱容量に基づいて、後述するように燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量を演算している。 For this reason, in the fuel cell system 2, as described above, the fuel gas supply flow path 14 is provided with the positive displacement pump 18 and the hot-wire gas flow meter 20, and the positive displacement pump 18 The gas volume is measured, and the hot wire gas flow meter 20 measures the gas heat capacity of the fuel gas, and will be described later based on the measured gas volume of the positive displacement pump 18 and the measured gas heat capacity of the hot wire gas flow meter 20. The gas heat capacity per unit volume of fuel gas is calculated.

一般的に、燃料ガスの組成が変動すると、この変動に伴い燃料電池８にて発電に寄与する電子数も変化し、Ｓ／Ｃを一定に維持するにはこの電子数の変化に伴い燃料ガスの供給流量も変化させる必要があり、例えば、燃料ガスのガス熱容量が上昇するということは、ブタン、イソブタンの含有量が多くなるということであり、燃料ガスの組成変動によりガス熱容量が上がるとその価数が上がるために、燃料ガスの供給流量を減らす必要がある。また、燃料ガスの組成変動によりガス熱容量が上がると燃料利用率が上がるために、燃料ガスの供給流量を減らす必要がある。 In general, when the composition of the fuel gas varies, the number of electrons contributing to power generation in the fuel cell 8 also varies with this variation. To maintain the S / C constant, the fuel gas varies with the variation in the number of electrons. For example, an increase in the gas heat capacity of the fuel gas means that the content of butane and isobutane increases. In order to increase the valence, it is necessary to reduce the supply flow rate of the fuel gas. Further, if the gas heat capacity increases due to the composition variation of the fuel gas, the fuel utilization rate increases, so that it is necessary to reduce the fuel gas supply flow rate.

このようなことから、単位体積当たりのガス熱容量を演算し、このガス熱容量を利用して次のようにして燃料ガスのガス組成に対応して供給流量を制御し、このように制御することによって、燃料電池システム２の発電効率や耐久性の低下を抑えている。 Therefore, by calculating the gas heat capacity per unit volume and controlling the supply flow rate corresponding to the gas composition of the fuel gas as follows using this gas heat capacity, In addition, a decrease in power generation efficiency and durability of the fuel cell system 2 is suppressed.

この燃料電池システム２は、図３に示す制御系により制御され、この制御系は、例えばマイクロプロセッサなどから構成されるコントローラ５２を備えている。図示のコントローラ５２は、出力電力演算手段５４、ガス熱容量演算手段５６、燃料ガス供給流量演算手段５８、水供給流量演算手段６０、空気供給流量演算手段６２及び制御手段６４を含んでいる。出力電力演算手段５４は、発電電力が消費される電力負荷（図示せず）（例えば、家庭内の電力負荷）の負荷電力を検知する負荷電力検知手段６６からの負荷電力信号に基づいて出力電力（発電電力）を演算し、この出力電力が燃料電池システム２から電力負荷に供給される。 The fuel cell system 2 is controlled by a control system shown in FIG. 3, and this control system includes a controller 52 composed of, for example, a microprocessor. The illustrated controller 52 includes output power calculation means 54, gas heat capacity calculation means 56, fuel gas supply flow rate calculation means 58, water supply flow rate calculation means 60, air supply flow rate calculation means 62, and control means 64. The output power calculation means 54 outputs power based on the load power signal from the load power detection means 66 that detects the load power of a power load (not shown) (for example, a household power load) that consumes the generated power. (Generated power) is calculated, and this output power is supplied from the fuel cell system 2 to the power load.

ガス熱容量演算手段５６は、容積式ポンプ１８及び熱線式ガス流量計２０からの測定信号に基づいて、単位体積当たりのガス熱容量を演算する。容積式ポンプ１８は、この容積式ポンプ１８を通過した単位時間（例えば、１分間）当たりの回転数Ｒを計測し、この回転数Ｒを用いると、単位時間当たりの通過ガス容積Ｖは、容積式ポンプ１８の一回転当たりの送出量をＣとすると、
単位時間当たりの通過ガス容積Ｖ＝回転数Ｒ×送出量Ｃ・・・（１）
となる。また、熱線式ガス流量計２０は、熱線式ガス流量計２０を通過した単位時間当たり（例えば、１分間）当たりのガス熱容量Ｓを計測し、この計測した計測ガス熱容量Ｓと通過ガス容積Ｖを用いると、燃料ガスの単位体積当たりの通過ガス熱容量Ｍは、
単位体積当たりの通過ガス熱容量Ｍ＝計測ガス熱容量Ｓ／通過ガス容積Ｖ
・・・（２）
となり、ガス熱容量演算手段５６は、上述した演算式（１）及び（２）を利用して単位体積当たりのガス熱容量を演算する。 The gas heat capacity calculating means 56 calculates the gas heat capacity per unit volume based on the measurement signals from the positive displacement pump 18 and the hot wire gas flow meter 20. The positive displacement pump 18 measures the number of revolutions R per unit time (for example, one minute) that has passed through the positive displacement pump 18, and when this number of revolutions R is used, the passing gas volume V per unit time is the volume. When the delivery amount per rotation of the pump 18 is C,
Passing gas volume per unit time V = rotational speed R × delivery amount C (1)
It becomes. The hot-wire gas flow meter 20 measures the gas heat capacity S per unit time (for example, 1 minute) that has passed through the hot-wire gas flow meter 20, and the measured gas heat capacity S and the passing gas volume V are measured. When used, the passing gas heat capacity M per unit volume of the fuel gas is
Passed gas heat capacity per unit volume M = Measured gas heat capacity S / Passed gas volume V
... (2)
Thus, the gas heat capacity calculating means 56 calculates the gas heat capacity per unit volume using the above-described arithmetic expressions (1) and (2).

また、燃料ガス供給流量演算手段５８、水供給流量演算手段６０及び空気流量演算手段６２は、次のようにして燃料ガス、改質用水及び空気の供給流量を演算する。コントローラ５２は、更に、メモリ手段６６を含み、このメモリ手段６６には、燃料電池８の発電出力とガス熱容量（単位時間当たりのガス熱容量）との関係を示す発電出力／ガス熱容量データ、この発電出力と水量との関係を示す発電電力／水量データ、またこの発電出力と空気量との関係を示す発電出力／空気量データが登録されている。燃料ガス供給流量演算手段５８は、この発電出力／ガス熱容量データから読み出したガス熱容量Ｈ及び単位体積当たりの通過ガス熱容量Ｍを用いて燃料ガスの供給流量Ｄを演算し、この供給流量Ｄは、
供給流量Ｄ＝ガス熱容量Ｈ／単位体積当たりの通過ガス熱容量Ｍ（３）
となり、このようにして燃料ガスの供給流量を演算する。また、水供給流量演算手段６０は、この発電出力／水量データから読み出した水量を用いて水の供給流量を演算し、空気供給流量演算手段６２は、この発電出力／空気量データから読み出した空気量を用いて空気の供給流量を演算する。 Further, the fuel gas supply flow rate calculation means 58, the water supply flow rate calculation means 60, and the air flow rate calculation means 62 calculate the supply flow rates of the fuel gas, the reforming water and the air as follows. The controller 52 further includes memory means 66. The memory means 66 includes power generation output / gas heat capacity data indicating the relationship between the power generation output of the fuel cell 8 and the gas heat capacity (gas heat capacity per unit time). The generated power / water amount data indicating the relationship between the output and the water amount, and the generated power output / air amount data indicating the relationship between the generated power and the air amount are registered. The fuel gas supply flow rate calculation means 58 calculates the fuel gas supply flow rate D using the gas heat capacity H read from the power generation output / gas heat capacity data and the passing gas heat capacity M per unit volume.
Supply flow rate D = gas heat capacity H / passing gas heat capacity M per unit volume (3)
Thus, the fuel gas supply flow rate is calculated. The water supply flow rate calculation means 60 calculates the water supply flow rate using the water amount read from the power generation output / water amount data, and the air supply flow rate calculation means 62 calculates the air read from the power generation output / air amount data. The supply flow rate of air is calculated using the amount.

制御手段６２は、燃料ガスポンプ２１、水ポンプ２６及び空気ブロア３０等を制御し、燃料ガスポンプ２１については燃料ガス供給流量演算手段５８により演算された供給流量が供給されるように燃料ガスポンプ２１を制御し、水ポンプ２６については水供給流量演算手段６０により演算された供給流量が供給されるように水ポンプ２６を制御し、また空気ブロア３０については空気供給流量演算手段６２により演算された供給流量が供給されるように空気ブロア３０を制御する。 The control means 62 controls the fuel gas pump 21, the water pump 26, the air blower 30, etc., and controls the fuel gas pump 21 so that the supply flow rate calculated by the fuel gas supply flow rate calculation means 58 is supplied to the fuel gas pump 21. The water pump 26 is controlled such that the supply flow rate calculated by the water supply flow rate calculation means 60 is supplied to the water pump 26, and the supply flow rate calculated by the air supply flow rate calculation means 62 for the air blower 30. The air blower 30 is controlled so as to be supplied.

次に、主として図３及び４を参照して、上述した燃料電池システム２の発電運転について説明する。燃料電池システム２の発電運転においては、燃料電池８の発電出力に応じた燃料ガス、水及び空気の供給が行われる（ステップＳ１）。即ち、水供給流量演算手段６０は、メモリ手段６６に登録された発電出力／水量データから読み出した水量を用いて水の供給流量を演算し（ステップＳ２）、また空気供給流量演算手段６２は、メモリ手段６６に登録された発電出力／空気量データから読み出した空気量を用いて空気の供給流量を演算する（ステップＳ３）。 Next, the power generation operation of the above-described fuel cell system 2 will be described mainly with reference to FIGS. In the power generation operation of the fuel cell system 2, fuel gas, water, and air are supplied according to the power generation output of the fuel cell 8 (step S1). That is, the water supply flow rate calculation means 60 calculates the water supply flow rate using the amount of water read from the power generation output / water amount data registered in the memory means 66 (step S2), and the air supply flow rate calculation means 62 The air supply flow rate is calculated using the air amount read from the power generation output / air amount data registered in the memory means 66 (step S3).

また、容積式ポンプ１８は、供給される燃料ガスのガス容積と所定の関係のある回転数を計測し（ステップＳ４）、熱線式ガス流量計２０は、供給される燃料ガスのガス熱容量を計測し（ステップＳ５）、ガス熱容量演算手段５６は、容積式ポンプ１８の計測回転数（換言すると、計測ガス容積）及び熱線式ガス流量計２０の計測熱容量に基づいて上述したようにして燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量を演算する（ステップＳ６）。そして、燃料ガス供給流量演算手段５８は、この単位体積当たりのガス熱容量及びメモリ手段６６に登録された発電出力／ガス熱容量データから読み出したガス熱容量に基づいて燃料ガスの供給流量を演算する（ステップＳ７）。尚、運転当初においては、この燃料ガス供給流量演算手段５８は、メモリ手段６６に登録された発電電力／ガス熱容量データ及び単位体積当たりの基準ガス熱容量に基づいてこの供給流量を演算する。 The positive displacement pump 18 measures the rotational speed having a predetermined relationship with the gas volume of the supplied fuel gas (step S4), and the hot wire gas flow meter 20 measures the gas heat capacity of the supplied fuel gas. (Step S5), the gas heat capacity calculating means 56 calculates the fuel gas as described above based on the measured rotational speed of the positive displacement pump 18 (in other words, the measured gas volume) and the measured heat capacity of the hot-wire gas flow meter 20. The gas heat capacity per unit volume is calculated (step S6). Then, the fuel gas supply flow rate calculation means 58 calculates the fuel gas supply flow rate based on the gas heat capacity per unit volume and the gas heat capacity read from the power generation output / gas heat capacity data registered in the memory means 66 (step). S7). At the beginning of operation, the fuel gas supply flow rate calculation means 58 calculates the supply flow rate based on the generated power / gas heat capacity data registered in the memory means 66 and the reference gas heat capacity per unit volume.

このように燃料ガス、水及び空気の供給流量が演算されると、制御手段６２は、水の供給流量が演算された供給流量となるように水ポンプ１６の回転数を制御し（ステップＳ８）、空気の供給流量が演算された供給流量となるように空気ブロア３０の回転数を制御し（ステップＳ９）、また燃料ガスの供給流量が演算された供給流量となるように燃料ガスポンプ２１の回転数を制御し、このように制御することにより、燃料ガスの組成が変動してもそれに対応させて燃料電池システムを運転することができる。 When the supply flow rates of fuel gas, water and air are calculated in this way, the control means 62 controls the rotation speed of the water pump 16 so that the supply flow rate of water becomes the calculated supply flow rate (step S8). Then, the rotational speed of the air blower 30 is controlled so that the air supply flow rate becomes the calculated supply flow rate (step S9), and the fuel gas pump 21 rotates so that the fuel gas supply flow rate becomes the calculated supply flow rate. By controlling the number and controlling in this way, the fuel cell system can be operated in response to fluctuations in the composition of the fuel gas.

このような運転は、燃料電池システム２の運転が終了するまで行われ、運転が終了すると、ステップＳ１１からステップＳ１２に移り、燃料電池システム２の運転が終了する。 Such an operation is performed until the operation of the fuel cell system 2 is completed. When the operation is completed, the operation proceeds from step S11 to step S12, and the operation of the fuel cell system 2 is completed.

次に、図５〜７を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態では、燃料ガス供給源として２つのガスボンベをり換えて燃料ガスを供給するように構成されている。尚、第２の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, fuel gas is supplied by replacing two gas cylinders as a fuel gas supply source. In the second embodiment, the same reference numerals are assigned to substantially the same components as those in the first embodiment described above, and the description thereof is omitted.

図５において、この第２の実施形態の燃料電池システム２Ａでは、燃料ガス供給源１６Ａが第１ガスボンベ７２及び第２ガスボンベ７４から構成されている。第１ガスボンベ７２は、第１ボンベ供給流路７６を通して燃料ガス供給流路１４に接続され、この第１ボンベ供給流路７６に第１開閉弁７８が配設されている。また、第２ガスボンベ７４は、第２ボンベ供給流路８０を通して燃料ガス供給流路１４に接続され、この第２ボンベ供給流路８０に第２開閉弁８２が配設されている。このように構成されているので、第１開閉弁７８を開状態にし、第２開閉弁８２を閉状態にすると、第１ガスボンベ７２からの燃料ガス（例えば、ＬＰガス）が第１ボンベ供給流路７６及び燃料ガス供給流路１４を通して気化器４に供給され、また第１開閉弁７８を閉状態にし、第２開閉弁８２を開状態にすると、第２ガスボンベ７４からの燃料ガス（例えば、ＬＰガス）が第２ボンベ供給流路８０及び燃料ガス供給流路１４を通して気化器４に供給される。 In FIG. 5, in the fuel cell system 2 </ b> A of the second embodiment, the fuel gas supply source 16 </ b> A includes a first gas cylinder 72 and a second gas cylinder 74. The first gas cylinder 72 is connected to the fuel gas supply flow path 14 through the first cylinder supply flow path 76, and a first on-off valve 78 is disposed in the first cylinder supply flow path 76. The second gas cylinder 74 is connected to the fuel gas supply flow path 14 through the second cylinder supply flow path 80, and the second open / close valve 82 is disposed in the second cylinder supply flow path 80. With this configuration, when the first on-off valve 78 is opened and the second on-off valve 82 is closed, fuel gas (for example, LP gas) from the first gas cylinder 72 is supplied to the first cylinder supply flow. When the first on-off valve 78 is closed and the second on-off valve 82 is opened, the fuel gas from the second gas cylinder 74 (for example, for example, is supplied to the carburetor 4 through the passage 76 and the fuel gas supply passage 14. LP gas) is supplied to the vaporizer 4 through the second cylinder supply channel 80 and the fuel gas supply channel 14.

この第２の実施形態の制御系は、図６に示すように構成されている。この制御系のコントローラ５２Ａは、出力電力演算手段５４、ガス熱容量演算手段５６、燃料ガス供給流量演算手段５８、水供給流量演算手段６０、空気供給流量演算手段６２及びメモリ手段６６Ａに加えて、ガス積算使用量演算手段８４、ボンベ使用率演算手段８５、ボンベ切換判定手段８６，停止移行判定手段８８及び停止信号生成手段９０を含んでいる。また、メモリ手段６６Ａには、発電出力／ガス熱容量データ、発電出力／水量データ、発電出力／空気量データ、一回転当たりの送出量及び単位体積当たりの基準熱容量に加えて、切換判定データ及び停止移行データが登録されている。 The control system of the second embodiment is configured as shown in FIG. The control system controller 52A includes an output power calculation means 54, a gas heat capacity calculation means 56, a fuel gas supply flow rate calculation means 58, a water supply flow rate calculation means 60, an air supply flow rate calculation means 62, and a memory means 66A. The integrated usage amount calculating means 84, the cylinder usage rate calculating means 85, the cylinder switching determining means 86, the stop transition determining means 88, and the stop signal generating means 90 are included. Further, in addition to the power generation output / gas heat capacity data, the power generation output / water amount data, the power generation output / air amount data, the delivery amount per rotation and the reference heat capacity per unit volume, the memory means 66A includes the switching determination data and the stoppage. Migration data is registered.

ガス積算使用量演算手段８４は、容積式ポンプ１８の計測回転数（換言すると、計測ガス容積）に基づいて燃料ガスの積算使用量を演算し、ボンベ使用率演算手段８５は、ガス積算使用量演算手段８４による燃料ガスの積算使用量及びガス熱容量演算手段５６による単位体積当たりのガス熱容量に基づいてボンベ使用率を演算し、ボンベ切換判定手段８６は、ガス熱容量演算手段５６により演算された単位体積当たりのガス熱容量の変動に基づいて後述するようにしてガスボンベ７２，７４が切り換えられたかを判定する。また、停止移行判定手段８８は、ボンベ使用率演算手段８５により演算されたボンベ使用率に基づいて後述するようにして停止移行するかを判定し、停止信号生成手段９０は、停止移行判定手段８８の停止移行の判定に基づいて停止信号を生成する。この第２の実施形態の燃料電池システム２Ａのその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。 The accumulated gas usage calculating means 84 calculates the accumulated usage amount of the fuel gas based on the measured rotational speed of the positive displacement pump 18 (in other words, the measured gas volume), and the cylinder usage rate calculating means 85 calculates the accumulated gas usage amount. The cylinder usage rate is calculated based on the accumulated usage amount of the fuel gas by the calculating means 84 and the gas heat capacity per unit volume by the gas heat capacity calculating means 56, and the cylinder switching determining means 86 is a unit calculated by the gas heat capacity calculating means 56. Based on the change in gas heat capacity per volume, it is determined whether the gas cylinders 72 and 74 have been switched as described later. Further, the stop shift determination means 88 determines whether to stop shift as described later based on the cylinder usage rate calculated by the cylinder usage rate calculation means 85, and the stop signal generation means 90 determines the stop shift determination means 88. A stop signal is generated based on the determination of stop transition. Other configurations of the fuel cell system 2A of the second embodiment are substantially the same as those of the first embodiment described above.

この第２の実施形態の燃料電池システム２Ａにおける燃料ガスの供給制御は、容積式ポンプ１８の測定回転数（換言すると、測定ガス容積）及び熱線式ガス流量計２０の計測ガス熱容量に基づいて第１の実施形態と同様に行われ、上述したと同様の作用効果が達成される。 The fuel gas supply control in the fuel cell system 2A of the second embodiment is based on the measured rotational speed of the positive displacement pump 18 (in other words, the measured gas volume) and the measured gas heat capacity of the hot-wire gas flow meter 20. This is performed in the same manner as in the first embodiment, and the same operational effects as described above are achieved.

また、この第２の実施形態では、ガスボンベ７２，７４内の燃料ガスが残り少なくなったときには、燃料電池システム２Ａが安全に運転停止されるように構成され、この運転停止への移行は、次のようにして行われる。 In the second embodiment, the fuel cell system 2A is configured to be safely shut down when the fuel gas in the gas cylinders 72 and 74 is low, and the transition to the shutdown is as follows. This is done.

主として図６及び図７を参照して、燃料電池システム２Ａの発電運転中においては、容積式ポンプ１８は、その回転数により燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスのガス容積を計測し（ステップＳ２１）、熱線式ガス流量計２０は、この燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスのガス熱容量を計測し（ステップＳ２２）、ガス熱容量演算手段５６は、容積式ポンプ１８の計測ガス容積及び熱線式ガス流量計２０による計測ガス熱容量に基づいて上述したようにして単位体積当たりのガス熱容量を演算する（ステップＳ２３）。また、ガス積算使用量演算手段８４は、容積式ポンプ１８の計測ガス容積に基づいて燃料ガスの積算使用量を演算する（ステップＳ２４）。 Referring mainly to FIG. 6 and FIG. 7, during the power generation operation of the fuel cell system 2A, the positive displacement pump 18 measures the gas volume of the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path 14 based on the number of rotations (step). S21), the hot-wire gas flow meter 20 measures the gas heat capacity of the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path 14 (step S22), and the gas heat-capacity calculating means 56 measures the measured gas volume and heat wire of the positive displacement pump 18. Based on the gas heat capacity measured by the gas flow meter 20, the gas heat capacity per unit volume is calculated as described above (step S23). Further, the accumulated gas usage calculation means 84 calculates the accumulated usage of the fuel gas based on the measured gas volume of the positive displacement pump 18 (step S24).

このように演算が行われると、ボンベ切換判定手段８６は、ガス熱容量演算手段５６により演算された単位体積当たりのガス熱容量に基づきその熱量の増加量（変化量）を演算し、このガス熱容量が急変したときにはボンベ交換と判定する（ステップＳ２７）。 When the calculation is performed in this manner, the cylinder switching determination unit 86 calculates the amount of increase (change) in the heat amount based on the gas heat capacity per unit volume calculated by the gas heat capacity calculation unit 56, and the gas heat capacity is calculated. When it changes suddenly, it is determined that the cylinder is replaced (step S27).

例えば、第１ガスボンベ７２（又は第２ガスボンベ７４）の燃料ガスが少なくなって第２ガスボンベ７４（又は第１ガスボンベ７６）からの燃料ガスに切り換わると、図２から理解される如く、第１ガスボンベ７２（又は第２ガスボンベ７４）のボンベ使用率が高いときにはこのガス熱容積が大きく、一方第２ガスボンベ７４（又は第１ガスボンベ７２）に切り換えてボンベ使用率が小さいときにはガス熱容量が小さくなり、ガスボンベ７２，７４の交換時を境に単位体積当たりのガス熱容量が急激に減少し、ボンベ切換判定手段８６は、このガス熱容量の急激な変動に基づいてボンベの切換判定を行う。 For example, when the fuel gas in the first gas cylinder 72 (or the second gas cylinder 74) is reduced and switched to the fuel gas from the second gas cylinder 74 (or the first gas cylinder 76), as can be understood from FIG. When the cylinder usage rate of the gas cylinder 72 (or the second gas cylinder 74) is high, the gas heat volume is large. On the other hand, when the cylinder usage ratio is low by switching to the second gas cylinder 74 (or the first gas cylinder 72), the gas heat capacity is small. The gas heat capacity per unit volume suddenly decreases at the time of replacement of the gas cylinders 72 and 74, and the cylinder switching determination means 86 performs cylinder switching determination based on the rapid fluctuation of the gas heat capacity.

ガスボンベ７２，７４が新しいものに切り換わると、ステップＳ２８に進み、ガス積算使用量演算手段８４により演算された積算使用量がリセットされ、その後ステップＳ２１に戻る。 When the gas cylinders 72 and 74 are switched to new ones, the process proceeds to step S28, where the accumulated usage calculated by the accumulated gas usage calculation means 84 is reset, and then the process returns to step S21.

また、ガス熱容量が急変しないときには、ボンベ使用率演算手段８５は、ガス積算使用量演算手段８４によるガス積算使用量及びガス熱容量演算手段５６によるガス熱容量に基づいてボンベ使用率を演算する（ステップＳ２９）。図２から理解されるように、ガス算使用量が多くなると、これに伴ってボンベ使用率も高くなり、また単位体積当たりのガス熱容量が大きくなると、これに伴ってボンベ使用率も高くなり、このようなことを利用してボンベ使用率演算手段８５はボンベ使用率を演算する。 When the gas heat capacity does not change suddenly, the cylinder usage rate calculating unit 85 calculates the cylinder usage rate based on the gas integrated usage amount by the gas integrated usage amount calculating unit 84 and the gas heat capacity by the gas heat capacity calculating unit 56 (step S29). ). As understood from FIG. 2, when the gas usage amount increases, the cylinder usage rate increases accordingly, and when the gas heat capacity per unit volume increases, the cylinder usage rate increases accordingly. Utilizing this, the cylinder usage rate calculating means 85 calculates the cylinder usage rate.

このようにボンベ使用率が演算されると、停止移行判定手段８８は、このボンベ使用率が所定ボンベ使用率（例えば、９０〜９５％に設定される）に達したかを判定し、所定ボンベ使用率に達していないときには、ステップＳ３０からステップＳ２１に戻る。 When the cylinder usage rate is calculated in this way, the stop transition determining means 88 determines whether or not the cylinder usage rate has reached a predetermined cylinder usage rate (for example, set to 90 to 95%), and the predetermined cylinder usage rate is determined. When the usage rate has not been reached, the process returns from step S30 to step S21.

一方、このボンベ使用率が所定ボンベ使用率に達すると、ステップＳ３０からステップＳ３１に移り、停止移行判定手段８８は停止移行と判定し、停止信号生成手段９０は停止信号を生成し、制御手段６４Ａは、この停止信号に基づいて燃料電池システム２Ａの発電運転を所要の通りに停止させ、このように停止させることにより、ガスボンベ７２，７４内に燃料ガスが残っている状態で安全に運転停止することができる。 On the other hand, when the cylinder usage rate reaches the predetermined cylinder usage rate, the process proceeds from step S30 to step S31, the stop transition determining means 88 determines that the transition is stopped, the stop signal generating means 90 generates a stop signal, and the control means 64A. Stops the power generation operation of the fuel cell system 2A as required based on the stop signal, and stops the operation safely with the fuel gas remaining in the gas cylinders 72 and 74 by stopping in this way. be able to.

尚、この実施形態では、ボンベ使用率演算手段８５は、ガス積算使用量演算手段８４によるガス積算使用量及びガス熱容量演算手段５６によるガス熱容量に基づいてボンベ使用率を演算しているが、ガス積算使用量が多くなるとボンベ使用率も高くなることを利用してこのガス積算使用量のみに基づいてボンベ使用率を演算するようにしてもよく、或いは単位体積当たりのガス熱容量が大きくなるとボンベ使用率も高くなることを利用してこの単位体積当たりのガス熱容量のみに基づいてボンベ使用率を演算するようにしてもよい。 In this embodiment, the cylinder usage rate calculating unit 85 calculates the cylinder usage rate based on the gas integrated usage amount by the gas integrated usage amount calculating unit 84 and the gas heat capacity by the gas heat capacity calculating unit 56. The cylinder usage rate may be calculated based only on this gas cumulative usage amount by utilizing the fact that the cylinder usage rate increases as the cumulative usage amount increases, or the cylinder usage rate increases as the gas heat capacity per unit volume increases. The cylinder usage rate may be calculated based only on the gas heat capacity per unit volume by utilizing the fact that the rate also increases.

以上、本発明に従う燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更や修正が可能である。 As mentioned above, although the embodiment of the fuel cell system according to the present invention has been described, the present invention is not limited to such an embodiment, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、第１及び第２実施形態では、常時、容積式ポンプ１８により燃料ガスのガス容積を計測し、熱線式ガス流量計２０により燃料ガスのガス熱容量を計測し、これらの計測値を用いて単位体積当たりのガス熱容量を演算しているが、容積式ポンプ１８及び熱線式ガス流量計２０による計測については、所定時間（例えば、１時間程度）毎に測定するようにしてもよく、この場合、コントローラ５２（５２Ａ）は、タイマ手段（図示せず）を含むようになる。 For example, in the first and second embodiments, the gas volume of the fuel gas is always measured by the positive displacement pump 18, the gas heat capacity of the fuel gas is measured by the hot-wire gas flow meter 20, and these measured values are used. The gas heat capacity per unit volume is calculated, but the measurement by the positive displacement pump 18 and the hot-wire gas flow meter 20 may be performed every predetermined time (for example, about one hour). The controller 52 (52A) includes timer means (not shown).

この場合、例えば、図８に示すように、所定時間経過毎の時間ｔ１，ｔ２，ｔ３・・・において容積式ポンプ１８により燃料ガスのガス容積を測定し、また熱線式ガス流量計２０により燃料ガスのガス熱容量を測定し、これらの測定ガス容積及び測定ガス熱容量に基づいてガス熱容量演算手段５６により単位体積当たりのガス熱容量を演算するようにしてもよい。このとき、例えば時間ｔ２において上述したようにして単位体積当たりのガス熱容量Ｔ２を演算した場合、例えばこの時間ｔ２から次の測定時間ｔ３までの間の期間においては、燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量をこのガス熱容量Ｔ２を簡易的に用いるようにしてもよいが、次のようにしてこのガス熱容量Ｔに補正を加えるのが望ましい。 In this case, for example, as shown in FIG. 8, the gas volume of the fuel gas is measured by the positive displacement pump 18 at times t1, t2, t3... The gas heat capacity of the gas may be measured, and the gas heat capacity per unit volume may be calculated by the gas heat capacity calculating means 56 based on the measured gas volume and the measured gas heat capacity. At this time, for example, when the gas heat capacity T2 per unit volume is calculated as described above at the time t2, for example, during the period from the time t2 to the next measurement time t3, the gas per unit volume of the fuel gas Although the gas heat capacity T2 may be simply used as the heat capacity, it is desirable to correct the gas heat capacity T as follows.

例えば、時間ｔ１における燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量がＴ１であり、時間Ｔ２における燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量がＴ２であるとすると、時間ｔ１におけるガス熱容量Ｔ１と時間ｔ２におけるガス熱容量Ｔ２とを例えば直線Ｌで結び、時間ｔ２と時間ｔ３の間におけるガス熱容量は、この直線Ｌの延長線上の値となるように時間とともに変化するように補正してもよく、このように補正することにより、簡易的ではあるが、単位体積当たりのガス熱容量をより正確に演算することができる。 For example, if the gas heat capacity per unit volume of the fuel gas at time t1 is T1, and the gas heat capacity per unit volume of the fuel gas at time T2 is T2, then the gas heat capacity T1 at time t1 and the gas heat capacity at time t2 T2 may be connected by, for example, a straight line L, and the gas heat capacity between time t2 and time t3 may be corrected so as to change with time so as to be a value on an extension line of the straight line L, and thus corrected. Thus, although simple, the gas heat capacity per unit volume can be calculated more accurately.

２，２Ａ燃料電池システム
４気化器
６改質器
８燃料電池
１４燃料ガス供給流路
１６，１６Ａ燃料ガス供給源
１８容積式ポンプ
２０熱線式ガス流量計
２１燃料ガスポンプ
５２，５２Ａコントローラ
５６ガス熱容量演算手段
５６燃料ガス供給流量演算手段
６４，６４Ａ制御手段
７２，７４ガスボンベ
８４ガス積算使用量演算手段
８５ボンベ使用率演算手段
８６ボンベ切換判定手段
８８停止移行判定手段

2,2A Fuel cell system 4 Vaporizer 6 Reformer 8 Fuel cell 14 Fuel gas supply flow path 16, 16A Fuel gas supply source 18 Positive displacement pump 20 Hot-wire gas flow meter 21 Fuel gas pump 52, 52A Controller 56 Gas heat capacity calculation Means 56 Fuel gas supply flow rate calculation means 64, 64A Control means 72, 74 Gas cylinder 84 Gas integrated usage amount calculation means 85 Cylinder usage rate calculation means 86 Cylinder switching determination means 88 Stop transition determination means

Claims

Fuel gas supply means for supplying hydrocarbon-based fuel gas through the fuel gas supply flow path, water supply means for supplying reforming water through the water supply flow path, and the fuel from the fuel gas supply means A reformer for steam reforming gas using the reforming water from the water supply means, a reformed fuel gas reformed by the reformer as an anode gas, and air as a cathode gas A fuel cell system comprising: a fuel cell for generating power; and a controller for controlling the fuel gas supply means and the water supply means,
The fuel gas supply channel is provided with a positive displacement pump for measuring the gas volume of the fuel gas and a hot-wire gas flow meter for measuring the gas heat capacity of the fuel gas, and the controller includes the controller Gas heat capacity calculating means for calculating a gas heat capacity per unit volume of fuel gas, and fuel gas supply flow rate calculating means for calculating a supply flow rate of the fuel gas supplied through the fuel gas supply flow path And
The positive displacement pump measures a passing gas volume per unit time supplied through the fuel gas supply flow path, and the thermal gas flow meter passes through the fuel gas supply flow path per unit time. Gas heat capacity is measured, and the gas heat capacity calculating means supplies the fuel gas based on the passing gas volume per unit time by the positive displacement pump and the passing gas heat capacity per unit time by the hot-wire gas flow meter. The passage gas heat capacity per unit volume of the fuel gas supplied through the flow path is calculated, and the fuel gas supply flow rate calculation means uses the power generation output / gas heat capacity data indicating the relationship between the power generation output and the heat capacity of the fuel gas. a fuel gas supply fed through the fuel gas supply passage on the basis of the passing gas heat capacity per unit time by the gas heat capacity calculating means Calculates the flow rate, the controller, the fuel cell system and controls the fuel gas supply means so that the fuel gas supply flow rate computed by the fuel gas supply flow rate calculating means.

The fuel gas supply channel is connected to a gas cylinder filled with fuel gas, fuel gas from the gas cylinder is supplied to the reformer through the fuel gas supply channel, and the controller uses a cylinder of the gas cylinder. 2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a cylinder usage rate calculating means for calculating the rate.

The controller includes stop transition determination means for determining whether or not to stop the power generation state of the fuel cell, and the stop transition determination means is based on the cylinder usage rate calculated by the cylinder usage rate calculation means. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein stop transition is determined.

The controller further includes gas integrated use amount calculating means for calculating a gas integrated use amount of the fuel gas supplied from the gas cylinder, wherein the gas integrated use amount calculating means is the unit by the positive displacement pump. calculating the gas accumulated amount based on the passing gas volume per time, the cylinder utilization calculating means, the gas accumulated amount by the gas accumulated amount calculating means and / or the unit by the gas heat capacity calculating means The cylinder usage rate is calculated on the basis of the passing gas heat capacity per volume , and the stop transition determination unit determines that the cylinder is stopped when the cylinder usage rate by the cylinder usage rate calculation unit reaches a predetermined cylinder usage rate. The fuel cell system according to claim 3, wherein the controller stops and shifts the fuel cell.

The controller includes timer means for measuring time or gas integrated use amount calculating means for calculating a gas integrated use amount of the fuel gas, and the timer means measures a set time or the gas integrated use amount calculating means. When but measures the set accumulated amount, the displacement pump is a passage gas volume per unit time of the fuel gas supplied through the fuel gas supply channel is measured, the hot-wire gas flow meter, wherein the fuel cell system according to claim 1, characterized in that measuring the passing gas heat capacity per unit time of the supplied the fuel gas through the fuel gas supply channel.