JPWO2013141083A1 - ガス燃料の組成判別方法、ガス燃料の組成判別装置、燃料供給システム、及び、燃料電池システム - Google Patents

ガス燃料の組成判別方法、ガス燃料の組成判別装置、燃料供給システム、及び、燃料電池システム Download PDF

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Abstract

燃料供給デバイスにより供給対象に供給される炭化水素系のガス燃料の組成を判別する。超音波流量計を用いてガス燃料中の音速を測定する（１０１）。測定された音速に基づいてガス燃料の炭素数を推定する（１０２）。推定された炭素数に基づいてガス燃料の組成（成分及び成分濃度）を推定する（１０３）。推定された組成に基づいて、燃料供給システムでの燃料供給量を制御する。

Description

本発明は、燃料供給デバイスにより供給対象に供給される炭化水素系のガス燃料の組成判別方法及び装置、並びに、組成判別装置を備える燃料供給システム及び燃料電池システムに関する。
ガス燃料の組成判別に関連する従来技術としては、特許文献１〜３に記載されているものがある。
（１）特許文献１
燃料電池システムにおける燃料オフガス中の窒素濃度の推定方法として、音速の利用が挙げられている。すなわち、燃料オフガスの成分の相違により燃料オフガス中の音速が異なることを利用して窒素濃度を推定する。測定対象のガスは水素と窒素との混合ガスであると解される。
（２）特許文献２
燃料電池システムにおける燃料オフガス中の水素濃度を推定するため、水素がきわだって音速が速いことを利用し、燃料オフガス中の音速を測定し、この音速から水素濃度を求める。測定対象のガスの組成は、水、二酸化炭素、窒素及び水素に略規定している。
（３）特許文献３
ガス中の複数の炭化水素成分を１種類以上かつ全種類未満の炭化水素にて表し、前記炭化水素を含む有効成分の数よりも１少ない数のガス特性を測定することで、ガスの有効組成を決定する。
日本国公開特許公報：特開２００５−２０３１４３号 日本国公開特許公報：特開２００３−０７７５１８号 日本国公表特許公報：特表２００４−５１４１３８号（ＷＯ２００２／０４０９９２）
しかしながら、従来技術は次のような問題点がある。
（１）特許文献１
燃料オフガス中の窒素濃度が上昇すると、それに応じて燃料オフガス中の音速も変化していくので、燃料オフガス中の音速を検出することで窒素濃度を推定することができると記載されているが、かかる記載のみでは、実際に利用することは困難である。また、測定対象は、組成の推定が容易な水素と窒素との混合ガスであると考えられ、炭化水素が複雑に混合されたガスについての記載はない。
（２）特許文献２
測定対象は、水素と、水、二酸化炭素、窒素との混合ガスと規定しており、限定的である。また、対応関係を求めるために、オフガス中の水、二酸化炭素、窒素等の濃度を予め計測若しくは算出しておかなければならない。
（３）特許文献３
測定を行う全てのガス特性において、複数の炭化水素成分と有効成分として使用される炭化水素が、同一の組み合わせにより同じ特性を示す必要がある。例えばエタンとメタン・プロパン１対１混合ガスの場合、音速はほぼ同じ（誤差０．３％程度）であるが、定圧比熱は３％程度の誤差を含む。従って、推定精度に問題がある。
本発明は、このような実状に鑑み、炭化水素系のガス燃料について、精度良く組成判別を行うことができる組成判別方法及び装置を提供し、更には当該組成判別装置を備える燃料供給システム及び燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明に係るガス燃料の組成判別方法は、超音波流量計を用いてガス燃料中の音速を測定するステップと、測定された音速に基づいてガス燃料の炭素数を推定するステップと、推定された炭素数に基づいてガス燃料の組成を推定するステップと、を含む。
本発明に係るガス燃料の組成判別装置は、超音波流量計を用いてガス燃料中の音速を測定する音速測定部と、測定された音速に基づいてガス燃料の炭素数を推定する炭素数推定部と、推定された炭素数に基づいてガス燃料の組成を推定する組成推定部と、を含んで構成される。
本発明に係る燃料供給システムは、供給対象に炭化水素系のガス燃料を供給する燃料供給デバイスを備える燃料供給システムであって、上記の組成判別装置と、これにより判別された組成に基づいて燃料供給デバイスの燃料供給量を制御する燃料供給量制御部と、を含んで構成される。
本発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系のガス燃料を供給する燃料供給デバイスと、供給されたガス燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する燃料改質装置と、生成された改質燃料と空気との電気化学反応により発電する燃料電池スタックとを備える、燃料電池システムであって、上記の組成判別装置と、これにより判別された組成に基づいて燃料供給デバイスの燃料供給量を制御する燃料供給量制御部と、を含んで構成される。
本発明によれば、ガス燃料の組成を比較的精度良く推定することができる。特に炭化水素が複雑に混合されたガス燃料についても組成の推定が可能となる。これにより、燃料供給システム又は燃料電池システムにおいて、燃料供給量の制御にガス燃料の組成変化を適切に反映させることが可能となる。
本発明の第１実施形態として示す燃料供給システムの概略構成図 超音波流量計の説明図 制御装置内の組成判別部の機能ブロック図 ＣＨ系ガスについての音速と炭素数との関係を示す図 ガス燃料の組成判別のフローチャート（その１） ガス燃料の組成判別のフローチャート（その２） ガス燃料の組成判別のフローチャート（その３） 燃料供給量制御のフローチャート 本発明の第２実施形態として示す燃料電池システムの概略構成図 同上第２実施形態の変形例を示す燃料電池システムの概略構成図 センサ類の配設位置に関する変形例の説明図
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
先ず本発明の第１実施形態として本発明を汎用の燃料供給システムでのガス燃料の組成判別に適用した実施形態について図１〜図８により説明する。
図１は本発明の第１実施形態として示す燃料供給システムの概略構成図である。
本実施形態の燃料供給システムは、供給対象（各種ガス機器）１に炭化水素系のガス燃料を供給する燃料供給デバイス２を含んで構成される。
燃料供給デバイス２は、ガス燃料供給源に接続されたポンプ及び／又は流量制御弁などにより構成され、制御装置７からの信号に基づいて供給量が制御される。
燃料供給デバイス２による供給対象１へのガス燃料の供給路には、燃料供給デバイス２の上流側（若しくは下流側）に、熱式流量計（質量流量計）３と、超音波流量計（体積流量計）４と、燃料温度センサ５と、燃料圧力センサ６とが設けられる。尚、３〜６の並びについては順不同である。
熱式流量計３は、ガスが持つ熱拡散作用を用いて流量測定するもので、ガスの圧縮度合により伝播する熱量が変化するため、質量流量を測定できる。熱式流量計３は小型化が容易であり、また小型ゆえ応答性が良い特徴を有している。但し、測定対象のガスの組成によって出力が変化するため、測定対象のガスの組成を特定した上で調整して使用するのが一般的である。
超音波流量計４は、測定対象のガスの組成に依存することなく体積流量を測定できる。
超音波流量計４の測定原理を図２により説明する。
超音波流量計４は、流れ方向上流側と下流側とにそれぞれ超音波振動子を備える超音波の送受信器４ａ、４ｂを対向配置してなり、上流から下流（順方向）への超音波の到達時間ｔ１と、下流から上流（逆方向）への超音波の到達時間ｔ２とを測定する。
ここで、ガスの流速をＶ、ガス中の音速をＣとすると、順方向への伝播速度はＣ＋Ｖ、逆方向への伝播速度はＣ−Ｖである。
従って、距離をＬとすると、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） → １／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖ）／Ｌ ・・（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） → １／ｔ２＝（Ｃ−Ｖ）／Ｌ ・・（２）
となる。
従って、上記の（１）、（２）式から、流速Ｖを次式（３）により求めることができる。また、同様に、音速Ｃを次式（４）により求めることができる。
Ｖ＝（１／ｔ１−１／ｔ２）×Ｌ／２ ・・・（３）
Ｃ＝（１／ｔ１＋１／ｔ２）×Ｌ／２ ・・・（４）
従って、超音波流量計４はガス燃料中の音速を測定する音速測定部として用いることができる。
燃料温度センサ５は流量測定部近傍の燃料温度Ｔｆを検出する。燃料圧力センサ６は流量測定部近傍の燃料圧力Ｐｆを検出する。
これら熱式流量計３、超音波流量計４、燃料温度センサ５及び燃料圧力センサ６の検出信号は、制御装置７へ送られる。
制御装置７は、マイクロコンピュータを含んで構成され、制御プログラムに従って演算処理を行い、熱式流量計３、超音波流量計４、燃料温度センサ５及び燃料圧力センサ６を始めとする各種センサ信号を読込みつつ、燃料供給デバイス２の作動を制御する。尚、制御装置７は、燃料供給デバイス２の制御と同時に、他の各種機器の制御を行うものであってもよい。
次に制御装置７による燃料供給量の制御について説明する。
ガス燃料の組成を特定できる場合は、これに基づいて熱式流量計３の換算係数を設定した上で、熱式流量計３を用いて、燃料供給量を制御する。すなわち、目標供給条件に従って目標燃料供給量を設定し、燃料供給デバイス２を介してガス燃料の供給量を制御するが、熱式流量計３の計測流量を参照しつつフィードバック制御を行う。
一方、ガス燃料の組成が変化する場合は、超音波流量計４及び熱式流量計３を用い、組成判別を行いつつ、燃料供給量を制御する。
このため、制御装置７内には、超音波流量計４と協働して燃料供給デバイス２により供給対象１に供給される炭化水素系のガス燃料の組成を判別する組成判別部（組成判別装置）１００と、組成判別部１００により判別された組成に基づいて燃料供給デバイス２の燃料供給量を制御する燃料供給量制御部２００とを備えている。
組成判別部（組成判別装置）１００は、図３の機能ブロック図に示すように、超音波流量計４を用いてガス燃料中の音速を測定する音速測定部１０１と、測定された音速に基づいてガス燃料の炭素数を推定する炭素数推定部１０２と、推定された炭素数に基づいてガス燃料の組成（成分及び成分濃度）を推定する組成推定部１０３と、を含んで構成される。
炭素数推定部１０２は、図４に示すようなＣＨ系ガスについての各温度での音速に対する炭素数のテーブル又は関数を使用して、温度及び音速から炭素数を推定する。
組成推定部１０３は、推定された炭素数とガス燃料の主成分について予め定めた炭素数との比較結果に応じて、予め定めた副成分候補の中から副成分を特定し、前記主成分及び前記特定した副成分の各成分濃度を推定する。
組成判別部（組成判別装置）１００は、更に、質量流量計（熱式流量計３）及び体積流量計（超音波流量計４）の測定結果に基づいて、質量流量計の換算係数を算出する第１の換算係数算出部１０４と、前記組成推定部１０３により推定された組成での推定換算係数を算出する第２の換算係数算出部１０５と、前記第１及び第２の換算係数算出部１０４、１０５の算出結果を比較して、前記組成推定部１０３の推定結果を比較検証する比較検証部１０６と、を含んで構成される。
組成判別部（組成判別装置）１００は、更に、前記比較検証部１０６にて不一致とされたときに、ガス燃料中に別の成分が混入しているとみなして、ガス燃料の組成を再推定する組成再推定部１０７を含んで構成される。
制御装置７内の燃料供給量制御部２００は、例えば、組成判別部（組成判別装置）１００により判別された組成に基づいてガス燃料の発熱量を推定し、単位時間当たりの発熱量が所定値となるようにガス燃料の供給量を制御する。
ここで、組成判別部（組成判別装置）１００（１０１〜１０７）の機能は図５〜図７のフローチャートにより実現され、燃料供給量制御部２００の機能は図８のフローチャートにより実現される。
図５〜図７はガス燃料の組成判別のフローチャートである。
Ｓ１では、超音波流量計４の中間出力に基づいて、ガス燃料中の音速Ｃを測定する。
Ｓ２では、超音波流量計４の出力に基づいて、ガス燃料の体積流量Ｑｖを測定する。
Ｓ３では、燃料温度センサ５の出力に基づいて、ガス燃料の温度Ｔｆを測定する。
Ｓ４では、燃料圧力センサ６の出力に基づいて、ガス燃料の圧力Ｐｆを測定する。
Ｓ５では、熱式流量計３の出力に基づいて、ガス燃料の質量流量Ｑｍを測定する。
Ｓ６では、次式により、換算係数CFを算出する。
換算係数CF＝〔Ｑｖ×（273.15÷（273.15＋Ｔｆ））×（（101.33＋Ｐｆ）÷101.33）〕／〔Ｑｍ÷γ〕
換算係数CFの算出式の分母〔Ｑｍ÷γ〕は、熱式流量計３の測定値である質量流量Ｑｍをノルマル流量（標準状態の体積流量）に変換したものである。すなわち、質量流量Ｑｍを比重γ（設計上のガス組成での標準状態のときの比重）で割り、標準状態での体積流量Ｑ１（次式参照）に変換したものである。
Ｑ１＝Ｑｍ÷γ
換算係数CFの算出式の分子は、超音波流量計４の測定値である体積流量Ｑｖをノルマル変換したものである。すなわち、体積流量Ｑｖを燃料温度Ｔｆ及び燃料圧力Ｐｆを用いて標準（ノルマル）状態での流量Ｑ２（下式参照）に変換したものである。
Ｑ２＝Ｑｖ×（273.15÷（273.15＋Ｔｆ））×（（101.33＋Ｐｆ）÷101.33）
従って、換算係数CFは、質量流量計測定値のノルマル変換値Ｑ１と体積流量計測定値のノルマル変換値Ｑ２との比として算出される（次式参照）。
換算係数CF＝Ｑ２／Ｑ１
Ｓ７〜Ｓ９では、ガス燃料中の音速Ｃよりガス燃料の炭素数を推定する。
ここでの推定には、図４のテーブル又は関数が使用される。図４はＣＨ系ガスについての音速と炭素数との関係を温度別に示している。すなわち、実線は温度Ｔ１（例えば−１０℃）のときの音速と炭素数との関係を示し、点線は温度Ｔ２（例えば６０℃）のときの音速と炭素数との関係を示している。
Ｓ７では、図４の実線の特性を参照し、ガス燃料中の音速Ｃより、温度Ｔ１のときの炭素数（ＣＮ１）を求める。
Ｓ８では、図４中の点線の特性を参照し、ガス燃料中の音速Ｃより、温度Ｔ２のときの炭素数（ＣＮ２）を求める。
Ｓ９では、温度Ｔ１のときの炭素数（ＣＮ１）と温度Ｔ２のときの炭素数（ＣＮ２）とに基づき、内挿（補間ともいう）により、温度Ｔｆ（現在の実際の温度）のときの炭素数ＣＮを求める。
Ｓ１０では、Ｓ６〜Ｓ９での処理により推定されたガス燃料の炭素数ＣＮが１より小さいか否かを判定する。これは、判定結果によって組成を近似するためである。詳しくは、推定されたガス燃料の炭素数ＣＮとガス燃料の主成分であるメタンＣＨ４の炭素数（１）との比較結果に応じて、予め定めた副成分候補（水素Ｈ２、プロパンＣ３Ｈ８）の中から副成分を特定するためである。
ＣＮ＜１の場合は、図６のフローのＳ１１へ進み、副成分を水素として、メタンと水素との混合ガスを想定する。ＣＮ＞１の場合は、図７のフローのＳ２１へ進み、副成分をプロパンとして、メタンとプロパンとの混合ガスを想定する。
炭素数ＣＮ＜１の場合の図６のフローについて説明する。
Ｓ１１では、ガス燃料はメタンＣＨ４（炭素数１）と水素Ｈ２（炭素数０）との混合ガスであると想定する。
Ｓ１２では、上記想定に基づき、炭素数ＣＮより、推定メタン濃度CS(CH4) を算出する（次式参照）。
CS(CH4)＝ＣＮ×100(%)
Ｓ１３では、推定メタン濃度CS(CH4) より、推定水素濃度CS(H2)を算出する（次式参照）。
CS(H2)＝100−CS(CH4)
Ｓ１４では、メタンＣＨ４の換算係数CF(CH4) と水素Ｈ２の換算係数CF(H2)とを用い、推定メタン濃度CS(CH4) と推定水素濃度CS(H2)とから、ガス燃料についての推定換算係数CF' を算出する（次式参照）。
CF' ＝１／〔CS(CH4)／CF(CH4)＋CS(H2)／CF(H2)〕
尚、換算係数は、下記の一般式により求めることができる。
換算係数＝１／Σ（成分ｉの体積分率／成分ｉの換算係数）
また、圧縮係数を無視して、体積分率＝モル分率とすることができる。
Ｓ１５では、Ｓ６で求めた換算係数CFとＳ１４で求めた推定換算係数CF' とを比較し、一致・不一致を判定する。具体的には、これらの差が所定のスライスレベルSLより小さい（CF−CF' ＜SL）か否かを判定する。これらを比較することで、Ｓ１２、Ｓ１３での組成推定を検証するためである。
CF−CF' ＜SLの場合は、Ｓ１２、Ｓ１３での組成推定は正しいとみなし、処理を終了する。
CF−CF' ＞SLの場合は、ガス燃料はメタンＣＨ４と水素Ｈ２と窒素Ｎ２との混合ガスであるとみなし、Ｓ１６〜Ｓ１８で再計算を行う。すなわち、比較検証の結果、不一致とされたときは、ガス燃料中に別の成分（窒素Ｎ２）が混入しているとみなし、ガス燃料の組成を再推定する。
Ｓ１６では、次式により、推定窒素濃度CS(N2)を算出する。
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
尚、Ａ式中のCFは換算係数、CS(CH4) は推定メタン濃度、CF(CH4) はメタンの換算係数、CS(H2)は推定水素濃度、CF(H2)は水素の換算係数である。
Ｂ式中のCF(N2)は窒素の換算係数、CS(CH4)'は窒素相等ガス中のメタン濃度、CF(CH4) はメタンの換算係数、CS(H2)' は窒素相等ガス中の水素濃度、CF(H2)は水素の換算係数である。
窒素相等ガス中のメタン濃度とは、窒素と音速が相等しくなるメタンと水素との所定混合比のガス中のメタン濃度Ｘ（％）であり、予め計算により求めておくことができる。
窒素相等ガス中の水素濃度とは、窒素と音速が相等しくなるメタンと水素との所定混合比のガス中の水素濃度Ｙ（％）であり、Ｙ＝１００−Ｘとなる。
Ｓ１７では、次式により、推定メタン濃度CS(CH4) を再計算する。
CS(CH4)＝CS(CH4)−CS(N2)×CS(CH4)'÷100(%)
尚、上記式の右辺のCS(CH4) は推定メタン濃度（Ｓ１２で算出）、CS(N2)は推定窒素濃度、CS(CH4)'は窒素相等ガス中のメタン濃度である。
Ｓ１８では、次式により、推定水素濃度CS(H2)を再計算する。
CS(H2)＝CS(H2)−CS(N2)×CS(H2)'÷100(%)
上記式の右辺のCS(H2)は推定水素濃度（Ｓ１３で算出）、CS(N2)は推定窒素濃度、CS(H2)' は窒素相等ガス中の水素濃度である。
炭素数ＣＮ＞１の場合の図７のフローについて説明する。
Ｓ２１では、ガス燃料はメタンＣＨ４（炭素数１）とプロパンＣ３Ｈ８（炭素数３）との混合ガスであると想定する。
Ｓ２２では、上記想定に基づき、炭素数ＣＮより、推定プロパン濃度CS(C3H8)を算出する（次式参照）。
CS(C3H8)＝［ＣＮ−１]÷２×100(%)
Ｓ２３では、推定プロパン濃度CS(C3H8)より、推定メタン濃度CS(CH4) を算出する（次式参照）。
CS(CH4)＝100−CS(C3H8)
Ｓ２４では、メタンＣＨ４の換算係数CF(CH4) とプロパンＣ３Ｈ８の換算係数CF(C3H8)とを用い、推定メタン濃度CS(CH4) と推定プロパン濃度CS(C3H8)とから、ガス燃料についての推定換算係数CF' を算出する（次式参照）。
CF'＝１／〔CS(CH4)／CF(CH4)＋CS(C3H8)／CF(C3H8)〕
Ｓ２５では、Ｓ６で求めた換算係数CFとＳ２４で求めた推定換算係数CF' とを比較し、一致・不一致を判定する。具体的には、これらの差が所定のスライスレベルSLより小さい（CF−CF' ＜SL）か否かを判定する。これらを比較することで、Ｓ２２、Ｓ２３での組成推定を検証するためである。
CF−CF' ＜SLの場合は、Ｓ２２、Ｓ２３での組成推定は正しいとみなし、処理を終了する。
CF−CF' ＞SLの場合は、ガス燃料はメタンＣＨ４とプロパンＣ３Ｈ８と窒素Ｎ２との混合ガスであるとみなし、Ｓ２６〜Ｓ２８で再計算を行う。すなわち、比較検証の結果、不一致とされたときは、ガス燃料に別の成分（窒素Ｎ２）が混入しているとみなし、ガス燃料の組成を再推定する。
Ｓ２６では、次式により、推定窒素濃度CS(N2)を算出する。
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
尚、Ａ式中のCFは換算係数、CS(CH4) は推定メタン濃度、CF(CH4) はメタンの換算係数、CS(C3H8)は推定プロパン濃度、CF(C3H8)はプロパンの換算係数である。
Ｂ式中のCF(N2)は窒素の換算係数、CS(CH4)'は窒素相等ガス中のメタン濃度、CF(CH4) はメタンの換算係数、CS(C3H8)' は窒素相等ガス中のプロパン濃度、CF(C3H8)はプロパンの換算係数である。
ここでいう、窒素相等ガス中のメタン濃度とは、窒素と音速が相等しくなるメタンとプロパンとの所定混合比のガス中のメタン濃度Ｘ’（％）であり、予め計算により求めておくことができる。
窒素相等ガス中のプロパン濃度とは、窒素と音速が相等しくなるメタンとプロパンとの所定混合比のガス中のプロパン濃度Ｙ’（％）であり、Ｙ’＝１００−Ｘ’となる。
Ｓ２７では、次式により、推定メタン濃度CS(CH4) を再計算する。
CS(CH4)＝CS(CH4)−CS(N2)×CS(CH4)'÷100(%)
尚、上記式の右辺のCS(CH4) は推定メタン濃度（Ｓ２２で算出）、CS(N2)は推定窒素濃度、CS(CH4)'は窒素相等ガス中のメタン濃度である。
Ｓ２８では、次式により、推定プロパン濃度CS(C3H8)を再計算する。
CS(C3H8)＝CS(C3H8)−CS(N2)×CS(C3H8)'÷100(%)
上記式の右辺のCS(C3H8)は推定プロパン濃度（Ｓ２３で算出）、CS(N2)は推定窒素濃度、CS(C3H8)' は窒素相等ガス中のプロパン濃度である。
図８は組成判別に基づく燃料供給量制御のフローチャートである。
Ｓ３１では、ガス燃料の発熱量（一定の単位の燃料が完全燃焼するときに発生する熱量）を算出する。具体的には、予め用意した既知のＣＨ４、Ｈ２、Ｃ３Ｈ８の各発熱量H(CH4),H(H2),H(C3H8)と、図５〜図７のフローで求めたＣＨ４、Ｈ２、Ｃ３Ｈ８の各成分濃度CS(CH4),CS(H2),CS(C3H8) とから、次式により、ガス燃料の発熱量を算出する。
発熱量＝[CS(CH4)×H(CH4)＋CS(H2)×H(H2)＋CS(C3H8)×H(C3H8)]／100
Ｓ３２では、Ｓ３１で求めたガス燃料の発熱量に基づき、単位時間当たりの目標供給発熱量を得るように、燃料供給量を算出する。具体的には、単位時間当たりの目標供給発熱量をガス燃料の発熱量で除算して、燃料供給量を算出する。
燃料供給量＝（単位時間当たりの目標供給発熱量）／（発熱量）
このようにして算出された燃料供給量は、制御上の目標値に設定され、燃料供給デバイス２を介して、燃料供給量の制御がなされる。
本実施形態の組成判別装置によれば、超音波流量計４を用いてガス燃料中の音速を測定する音速測定部１０１と、測定された音速に基づいてガス燃料の炭素数を推定する炭素数推定部１０２と、推定された炭素数に基づいてガス燃料の組成（成分及び成分濃度）を推定する組成推定部１０３と、備えることにより、ガス燃料の組成を比較的精度良く推定することができ、特に炭化水素が複雑に混合されたガス燃料についても組成の推定が可能となる。
また、本実施形態の組成判別装置によれば、炭素数推定部１０２は、各温度での音速に対する炭素数の特性に基づいて（具体的にはテーブル又は関数を使用して）、温度及び音速から炭素数を推定することにより、炭素数の推定を容易かつ正確に行うことができる。
また、本実施形態の組成判別装置によれば、組成推定部１０３は、推定された炭素数とガス燃料の主成分（ＣＨ４）について予め定めた炭素数（１）との比較結果に応じて、予め定めた副成分候補（Ｈ２、Ｃ３Ｈ８）の中から副成分を特定し、前記主成分（ＣＨ４）及び前記特定した副成分（Ｈ２又はＣ３Ｈ８）の各成分濃度を推定することにより、比較的簡単に推定を行うことができる。
また、本実施形態の組成判別装置によれば、燃料供給デバイス２により供給されるガス燃料の質量流量を測定する質量流量計（熱式流量計３）と、燃料供給デバイス２により供給されるガス燃料の体積流量を測定する体積流量計（超音波流量計４）と、前記質量流量計及び前記体積流量計の測定結果に基づいて、質量流量計の換算係数CFを算出する第１の換算係数算出部１０４と、前記組成推定部１０３により推定された組成での推定換算係数CF' を算出する第２の換算係数算出部１０５と、前記第１及び第２の換算係数算出部１０４、１０５の算出結果を比較して、前記組成推定部１０３の推定結果を比較検証する比較検証部１０６と、を備えることにより、推定の信頼性を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、前記体積流量計は超音波流量計４であり、前記音速測定部１０１は、前記超音波流量計４の中間出力に基づいてガス燃料中の音速を測定することにより、コストアップを抑制することができる。
また、本実施形態の組成判別装置によれば、前記比較検証部１０６にて不一致とされたときに、ガス燃料中に別の成分（Ｎ２）が混入しているとみなして、ガス燃料の組成を再推定する組成再推定部１０７を備えることにより、推定の信頼性を更に向上させることができる。
また、本実施形態の燃料供給システムによれば、組成判別部１００により判別された組成に基づいて燃料供給デバイス２の燃料供給量を制御する燃料供給量制御部２００を備えることにより、燃料供給量の制御にガス燃料の組成変化を適切に反映させることができる。
また、本実施形態の燃料供給システムによれば、燃料供給量制御部２００は、組成推定部１００により推定された組成に基づいてガス燃料の発熱量を推定し、単位時間当たりの発熱量が所定値となるようにガス燃料の供給量を制御することにより、ガス燃料の組成が変化しても、ガス燃料の組成推定に基づく適正な制御が可能で、単位時間当たりの供給発熱量を一定に制御することが可能となる。言い換えれば、発熱量を管理値としてガス燃料の供給量を制御することができる。
尚、上記実施形態では、燃料供給システムの供給対象（ガス機器）についての説明は省略したが、供給対象については特に限定されず、汎用の燃料供給システムとして利用できる。あえて用途について言及すれば、空燃比管理が必要な燃焼用途と、原料組成把握が必要な化学反応用途とを挙げることができる。燃焼用途の個別例としては、ボイラーやガスエンジンを挙げることができる。ガスエンジンは、家庭用コージェネレーションシステム（都市ガスやＬＰＧを燃料とするガスエンジンで発電を行い、その際に発生する熱を給湯などに利用するシステム；通称「エコウィル」）、ＧＨＰシステム（ガスエンジンで圧縮機を駆動し、ヒートポンプ運転によって冷暖房を行う空調システム）、及び、産業用自家発電システムなどに用いられる。化学反応用途の個別例としては、合成ガス製造装置を挙げることができる。合成ガス製造装置は、天然ガス、ＬＰＧなどを原料とし、各種改質法を用いて、Ｈ２及びＣＯを主成分とする合成ガスを製造する。製造された合成ガスは、アンモニア合成、メタノール合成などに原料ガスとして用いられる。最近では、更にＧＴＬ、ＤＭＥ、或いはＳＮＧ等の新規エネルギー製造関連での合成ガスの需要が注目されている。
次に本発明の第２実施形態として本発明を燃料電池システムに適用した実施形態について図９により説明する。
図９は本発明の第２実施形態として示す燃料電池システムの概略構成図である。
本実施形態の燃料電池システムは、炭化水素系のガス燃料を水蒸気改質して水素リッチな改質燃料を生成する燃料改質装置１１と、この燃料改質装置１１からの改質燃料（水素）と空気（酸素）との電気化学反応により発電する燃料電池スタック（燃料電池セルの組立体）１２とを含んで構成される。
ガス燃料供給源からのガス燃料は、脱硫器１３によりガス燃料中の硫黄化合物を除去された後、燃料供給デバイス１４により燃料改質装置１１へ供給される。
燃料供給デバイス１４は、ポンプ及び／又は流量制御弁などにより構成され、制御装置２１からの信号に基づいて供給量が制御される。
燃料供給デバイス１４による燃料改質装置１１へのガス燃料の供給路には、燃料供給デバイス１４の上流側（若しくは下流側）に、熱式流量計（質量流量計）１５と、超音波流量計１６と、燃料温度センサ１７と、燃料圧力センサ１８とが設けられる。１５〜１８の並びについては順不同である。
熱式流量計１５、超音波流量計１６、燃料温度センサ１７及び燃料圧力センサ１８については、第１実施形態（図１）の熱式流量計３、超音波流量計４、燃料温度センサ５及び燃料圧力センサ６と同じであり、説明を省略する。
これら熱式流量計１５、超音波流量計１６、燃料温度センサ１７及び燃料圧力センサ１８の検出信号は、制御装置２１へ送られる。
尚、図９では、燃料供給デバイス１４、熱式流量計１５、超音波流量計１６、燃料温度センサ１７及び燃料圧力センサ１８の上流側に脱硫器１３を配置したが、図１０に示すように、燃料供給デバイス１４、熱式流量計１５、超音波流量計１６、燃料温度センサ１７及び燃料圧力センサ１８の下流側に脱硫器１３を配置してもよい。脱硫器１３にガス燃料が吸着されてもガス燃料の供給制御及び計測が良好に行われるようにするためには図９の配置が望ましい。従って、低温吸着型の脱硫器の場合は図９の配置とする。しかし、高温吸着型や水素化脱硫型など、高温で作動するタイプの脱硫器の場合は、燃料供給デバイス１４等が高温環境に置かれるのを避ける必要があり、またガス燃料の吸着の問題がないことから、図１０の配置とする。
燃料改質装置１１での水蒸気改質のための改質水は、改質水供給デバイス１９により供給される。改質水供給デバイス１９は、水供給源に接続されたポンプ及び／又は流量制御弁などにより構成され、制御装置２１からの信号に基づいて供給量が制御される。
燃料電池スタック１２にはアノード極（Ａ）に燃料改質装置１１からの改質燃料が供給され、カソード極（Ｃ）に空気が供給されるが、カソード空気は、カソード空気供給デバイス２０により供給される。カソード空気供給デバイス２０は、空気供給源に接続されたポンプ（ブロワ）及び／又は流量制御弁などにより構成され、制御装置２１からの信号に基づいて供給量が制御される。
制御装置２１は、マイクロコンピュータを含んで構成され、制御プログラムに従って演算処理を行い、熱式流量計１５、超音波流量計１６、燃料温度センサ１７及び燃料圧力センサ１８を始めとする各種センサ信号を読込みつつ、燃料供給デバイス１４、改質水供給デバイス１９及びカソード空気供給デバイス２０を始めとする各種機器の作動を制御する。
尚、燃料改質装置１１では、メタンＣＨ４の場合は、下記（５）式の水蒸気改質反応がなされ、プロパンＣ３Ｈ８の場合は、下記（６）式の水蒸気改質反応がなされる。
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２ ・・・（５）
Ｃ３Ｈ８＋６Ｈ２Ｏ→３ＣＯ２＋１０Ｈ２ ・・・（６）
また、燃料電池スタック１２では、各セルのカソード極にて、下記（７）式の電極反応が生起され、アノード極にて、下記（８）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード極： １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質） ・・・（７）
アノード極： Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− ・・・（８）
次に制御装置２１による燃料、改質水及びカソード空気の制御について説明する。
ガス燃料の組成を特定できる場合は、これに基づいて熱式流量計１５の換算係数を設定した上で、熱式流量計１５を用いて、燃料供給量を制御する。すなわち、目標発電条件に従って燃料供給量（目標値）を設定し、燃料供給デバイス１４を介してガス燃料の供給量を制御するが、熱式流量計１５の計測流量を参照しつつフィードバック制御を行う。また、熱式流量計１５の計測流量を参照するなどして改質水供給量（目標値）を設定し、改質水供給デバイス１９を介して改質水の供給量を制御する。また、目標発電条件に従って又は熱式流量計１５の計測流量を参照するなどしてカソード空気供給量（目標値）を設定し、カソード空気供給デバイス２０を介してカソード空気の供給量を制御する。
一方、ガス燃料の組成が変化する場合は、超音波流量計１６及び熱式流量計１５を用い、組成判別を行いつつ、燃料供給量、改質水供給量及びカソード空気供給量を制御する。
このため、制御装置２１内には、超音波流量計１６と協働して燃料供給デバイス１４により燃料改質装置１１に供給される炭化水素系のガス燃料の組成を判別する組成判別部（組成判別装置）１００と、組成判別部１００により判別された組成に基づいて燃料供給デバイス２の燃料供給量を制御する燃料供給量制御部２０１と、改質水供給デバイス１９の改質水供給量を制御する改質水供給量制御部２０２と、カソード空気供給デバイス２０のカソード空気供給量を制御するカソード空気供給量制御部２０３とを備えている。
組成判別部１００は、第１実施形態にて説明した組成判別部１００と同じであり、図３の機能ブロック図に示したように構成され、図５〜図７のフローチャートに従って演算処理を行う。よって、ここでの説明は省略する。
燃料供給量制御部２０１は、組成判別部１００により推定されたガス燃料の組成に基づいて、例えば、ガス燃料についての完全燃焼時に反応可能な酸素分子の当量の４倍値を算出し、この値と掃引直流電流値と燃料利用率とに基づいて燃料供給量を算出する。
改質水供給量制御部２０２は、組成判別部１００により推定されたガス燃料の組成に基づいて、例えば、ガス燃料の炭素数を算出し、この炭素数に基づいて改質水供給量を算出する。
例えば、メタンＣＨ４とプロパンＣ３Ｈ８との混合ガスの場合、改質水供給量（目標値）は、燃料供給量と、ガス燃料の組成（メタンＣＨ４のモル分率CS(CH4) とプロパンＣ３Ｈ８のモル分率CS(C3H8)）とから、次式により算出する。
改質水供給量＝燃料供給量×（CS(CH4)×１＋CS(C3H8)×３）／22.414×Ｓ／Ｃ×18.02
式中の「１」はメタンＣＨ４の炭素数、「３」はプロパンＣ３Ｈ８の炭素数、22.414はモル容積（Ｌ/mol）、Ｓ／Ｃはスチーム・カーボン比（目標値で、例えば２．５）、18.02 は水のモル質量である。
カソード空気供給量制御部２０３は、組成判別部１００により推定されたガス燃料の組成に基づいて、又は、空気利用率あるいは空気比を含む目標発電条件に基づいて、カソード空気供給量を算出する。
目標発電条件に基づいて算出する場合は、カソード空気供給量（目標値）を、次式により算出する。
空気供給量＝〔セル総数×単セルの電流量×６０〕／〔Ｕａ×Ｆｄ×（空気中のＯ２のモル分率×４）〕×22.414
ここで、Ｕａは予め定めた空気利用率（目標値で、例えば０．３０）、Ｆｄはファラデー定数（96485.3399）、22.414はモル容積（Ｌ/mol）である。また、「４」は電極反応によるＯ２からの電子の生成数である（前述の電極反応式参照）。
カソード空気供給量は、目標発電条件から算出する他、燃料供給量と空燃比とに基づいて算出するようにしてもよい。
このようにして算出された燃料供給量、改質水供給量及びカソード空気供給量は、それぞれ制御上の目標値に設定され、燃料供給デバイス１４、改質水供給デバイス１９及びカソード空気供給デバイス２０を介して、これらの制御がなされる。
本実施形態の燃料電池システムによれば、組成判別部１００により判別された組成に基づいて燃料改質装置１１への燃料供給デバイス１４の燃料供給量を制御する燃料供給量制御部２０１を備えることにより、燃料改質装置１１への燃料制御ひいては燃料電池システムの発電制御にガス燃料の組成変化を適切に反映させることができ、燃料電池システムの安定性を向上させることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料改質装置１１に水蒸気改質用の水を供給する改質水供給デバイス１９と、組成判別部１００により判別された組成に基づいて改質水供給デバイス１９の水供給量を制御する改質水供給量制御部２０２とを備えることにより、改質水の供給制御にガス燃料の組成変化を適切に反映させることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１２にカソード用空気を供給するカソード空気供給デバイス２０と、組成判別部１００により判別された組成に基づいてカソード空気供給デバイス２０の空気供給量を制御するカソード空気供給量制御部２０３とを備えることにより、カソード空気の供給制御にガス燃料の組成変化を適切に反映させることができる。
また、燃料電池システムにおいて、改質反応として部分酸化反応を併用するために、改質用空気の供給デバイスを備える場合は、改質用空気の供給量を制御する改質用空気供給量制御部を備えるようにしてもよい。
改質用空気供給量は、例えば、メタンとプロパンとの混合ガスの場合、燃料供給量と、ガス燃料の組成（メタンＣＨ４のモル分率CS(CH4) とプロパンＣ３Ｈ８のモル分率CS(C3H8)）とから、次式により算出する。
改質用空気供給量＝燃料供給量×（CS(CH4)×１＋CS(C3H8)×３）／（空気中酸素濃度）×Ｏ／Ｃ
式中のＯ／Ｃは酸素・カーボン比である。
最後に、第１実施形態（図１）での熱式流量計３等、第２実施形態（図９又は図１０）での熱式流量計１５等の配設位置に関して追加的に説明する。
図１では、燃料供給デバイス２の上流側に、熱式流量計３、超音波流量計４、燃料温度センサ５及び燃料圧力センサ６（以下これらをセンサ類３〜６という）を配設した。同様に、図９（又は図１０）でも、燃料供給デバイス１４の上流側に、熱式流量計１５、超音波流量計１６、燃料温度センサ１７及び燃料圧力センサ１８（以下これらをセンサ類１５〜１８という）を配設した。これは、燃料供給デバイスには一般的にポンプが含まれており、この下流側に流量計を配置すると、ポンプの脈流で流量計の測定に影響を及ぼす可能性があるからである。
従って、供給される燃料の組成をなるべく正しく安定的に把握することを優先する場合は、燃料供給デバイスの上流側にセンサ類を配置するのが望ましい。
これに対し、実際に供給対象１（燃料改質装置１１）に供給される燃料の流量を把握することを優先する場合は、燃料供給デバイスの下流側にセンサ類を配置するのが望ましい。よって、この場合は、図１１（ａ）に示すように、燃料供給デバイス２の下流側にセンサ類３〜６を配置したり、図１１（ｂ）に示すように、燃料供給デバイス１４の下流側にセンサ類１５〜１８を配置したりする。
尚、上記の実施形態では、炭化水素系のガス燃料の主成分をメタンＣＨ４、副成分候補を水素Ｈ２とプロパンＣ３Ｈ８、ガス燃料中に混入する別の成分を窒素Ｎ２としたが、これらに限定されるものではない。
また、炭化水素系のガス燃料としては、都市ガス、ＬＰＧなどを想定している。特に天然ガス由来の都市ガスを用いる場合は、ガス会社により、またガス会社が同じあっても地域により、組成が異なり、更には供給元からの経路や距離により、途中での空気の混入などに起因して組成が異なることが多々有る。このように組成が異なると、熱式流量計は、正しい値を示さなくなって、好適な制御が困難となる。
この点、本発明では、ガス燃料の組成が変化した場合であっても、ガス燃料の組成を精度良く推定することができるので、燃料供給システム又は燃料電池システムにおいて、燃料供給量の制御にガス燃料の組成変化を適切に反映させることができる。
また、ガス燃料が例えば都市ガスからＬＰＧ、あるいはＬＰＧから都市ガスへ変更されるような場合も、ガス燃料の変更（組成変化）を自動検出することができる。そして、この検出内容を制御装置に通知することで、制御装置にてガス燃料の変更に対応した制御プログラムの変更などにより好適に対応することができる。
また、都市ガスについては、バイオガス由来もしくはシェールガス由来の炭化水素ガスが混入されているガス、又は、石油化学工場で副生するオフガス（天然ガス由来ではない炭化水素ガス）が混入されているガスであっても、本発明を適用可能である。
尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
１ 供給対象
２ 燃料供給デバイス
３ 熱式流量計
４ 超音波流量計
５ 燃料温度センサ
６ 燃料圧力センサ
７ 制御装置
１１ 燃料改質装置
１２ 燃料電池スタック
１３ 脱硫器
１４ 燃料供給デバイス
１５ 熱式流量計
１６ 超音波流量計
１７ 燃料温度センサ
１８ 燃料圧力センサ
１９ 改質水供給デバイス
２０ カソード空気供給デバイス
２１ 制御装置

Claims (12)

  1. 燃料供給デバイスにより供給対象に供給される炭化水素系のガス燃料の組成判別方法であって、
    超音波流量計を用いて前記ガス燃料中の音速を測定するステップと、
    測定された音速に基づいて前記ガス燃料の炭素数を推定するステップと、
    推定された炭素数に基づいて前記ガス燃料の組成を推定するステップと、
    を含む、ガス燃料の組成判別方法。
  2. 燃料供給デバイスにより供給対象に供給される炭化水素系のガス燃料の組成判別装置であって、
    超音波流量計を用いて前記ガス燃料中の音速を測定する音速測定部と、
    測定された音速に基づいて前記ガス燃料の炭素数を推定する炭素数推定部と、
    推定された炭素数に基づいて前記ガス燃料の組成を推定する組成推定部と、
    を含んで構成される、ガス燃料の組成判別装置。
  3. 前記炭素数推定部は、各温度での音速に対する炭素数の特性に基づいて、温度及び音速から炭素数を推定することを特徴とする、請求項２記載のガス燃料の組成判別装置。
  4. 前記組成推定部は、推定された炭素数と前記ガス燃料の主成分について予め定めた炭素数との比較結果に応じて、予め定めた副成分候補の中から副成分を特定し、前記主成分及び前記特定した副成分の各成分濃度を推定することを特徴とする、請求項２記載のガス燃料の組成判別装置。
  5. 前記燃料供給デバイスにより供給される前記ガス燃料の質量流量を測定する質量流量計と、
    前記燃料供給デバイスにより供給される前記ガス燃料の体積流量を測定する体積流量計と、
    前記質量流量計及び前記体積流量計の測定結果に基づいて、質量流量計の換算係数を算出する第１の換算係数算出部と、
    前記組成推定部により推定された組成での推定換算係数を算出する第２の換算係数算出部と、
    前記第１及び第２の換算係数算出部の算出結果を比較して、前記組成推定部の推定結果を比較検証する比較検証部と、
    を更に含んで構成される、請求項２記載のガス燃料の組成判別装置。
  6. 前記体積流量計は超音波流量計であり、
    前記音速測定部は、前記超音波流量計の中間出力に基づいて前記ガス燃料中の音速を測定することを特徴とする、請求項５記載のガス燃料の組成判別装置。
  7. 前記比較検証部にて不一致とされたときに、前記ガス燃料中に別の成分が混入しているとみなして、前記ガス燃料の組成を再推定する組成再推定部を更に含んで構成される、請求項５記載のガス燃料の組成判別装置。
  8. 供給対象に炭化水素系のガス燃料を供給する燃料供給デバイスを備える燃料供給システムであって、
    請求項２記載の組成判別装置と、
    前記組成判別装置により判別された組成に基づいて前記燃料供給デバイスの燃料供給量を制御する燃料供給量制御部と、
    を含んで構成される、燃料供給システム。
  9. 前記燃料供給量制御部は、前記組成推定部により推定された組成に基づいて前記ガス燃料の発熱量を推定し、単位時間当たりの発熱量が所定値となるようにガス燃料の供給量を制御することを特徴とする、請求項８記載の燃料供給システム。
  10. 炭化水素系のガス燃料を供給する燃料供給デバイスと、供給されたガス燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する燃料改質装置と、生成された改質燃料と空気との電気化学反応により発電する燃料電池スタックとを備える、燃料電池システムであって、
    請求項２記載の組成判別装置と、
    前記組成判別装置により判別された組成に基づいて前記燃料供給デバイスの燃料供給量を制御する燃料供給量制御部と、
    を含んで構成される、燃料電池システム。
  11. 前記改質装置に水蒸気改質用の水を供給する改質水供給デバイスと、前記組成判別装置により判別された組成に基づいて前記改質水供給デバイスの水供給量を制御する改質水供給量制御部とを更に含んで構成される、請求項１０記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料電池スタックにカソード用空気を供給するカソード空気供給デバイスと、前記組成判別装置により判別された組成に基づいて前記カソード空気供給デバイスの空気供給量を制御するカソード空気供給量制御部とを更に含んで構成される、請求項１０記載の燃料電池システム。
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