WO2012063922A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

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cell system
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充峻 小西
久保　浩一
友孝 石田
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Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system.
  • the fuel cell system supplies hydrogen-containing fuels such as city gas, liquefied natural gas (LPG), and kerosene to the reformer to generate hydrogen, and supplies hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell stack.
  • hydrogen-containing fuels such as city gas, liquefied natural gas (LPG), and kerosene
  • the flow rate of the gaseous fuel supplied to the fuel electrode of the fuel cell by the pump may vary depending on the environmental temperature when the amount of material is considered constant. For example, in the case of using a volume flow meter, if the temperature is cold, the concentration increases, so the volume flow is small. Such a phenomenon results in a decrease in efficiency due to the concentration of the gaseous fuel in a cold region, or fuel depletion due to a decrease in the gaseous fuel in a warm region, resulting in damage to the fuel cell.
  • a pump for supplying gaseous fuel to a fuel electrode of a fuel cell is provided, and a control instruction value (output control amount) for this pump is set near the pump.
  • a fuel cell system that corrects based on the ambient temperature (outside air temperature) and controls the pump with the corrected control instruction value to stabilize the supply amount even when the ambient temperature changes.
  • a reference value of a control instruction value at a certain environmental temperature is stored, and by multiplying the reference value by a ratio between the environmental temperature during operation of the system and the environmental temperature corresponding to the reference value, the gas
  • the control instruction value is calculated based on the state equation.
  • the gas supply means when handling an actual gas, or in order to supply a gas supply amount determined based on the outside air temperature and the output current, as described in Patent Document 1, to the fuel cell or the like, the gas supply means
  • the fuel cell system that directly adjusts the output does not take into account the accuracy and deterioration of the gas supply means, and thus there is a problem that the amount of gas actually supplied to the fuel cell or the like is not always accurate. .
  • a fuel cell system includes a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction of a gaseous fuel, a fuel cell that generates power using the reformed gas, and a reformer.
  • a fuel supply unit that supplies gaseous fuel, a flow rate measurement unit that measures the flow rate of the gaseous fuel supplied to the reformer, a current value measurement unit that measures the current value of the output current of the fuel cell, and an environmental temperature measurement
  • the ambient temperature measuring unit that stores the amount of fuel material per unit time to be supplied to the reformer according to the current value is stored in advance, and gaseous fuel is supplied at a flow rate corresponding to the amount of fuel material by referring to the ambient temperature
  • a control unit that determines an instruction target value of the flow rate measurement unit to be discharged to the unit and controls the fuel supply unit so that the flow rate measurement unit indicates the instruction target value.
  • a method of operating a fuel cell system comprising: a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction of a gaseous fuel; a fuel cell that generates power using the reformed gas; A fuel supply unit for supplying gaseous fuel to the reformer, a flow rate measuring unit for measuring the flow rate of the gaseous fuel supplied to the reformer, and a current value measuring unit for measuring the current value of the output current of the fuel cell; A unit time to be supplied to the reformer in accordance with the current value in a fuel cell system comprising an environmental temperature measuring unit for measuring the environmental temperature and a control unit for storing in advance a fuel substance amount corresponding to the current value A step of determining a fuel material amount per step, a step of determining an instruction target value of a flow rate measurement unit for discharging gaseous fuel to the fuel supply unit at a flow rate corresponding to the fuel material amount with reference to an environmental temperature, and a flow rate Fuel so
  • flow rate measurement is performed so that gaseous fuel having a flow rate corresponding to the amount of fuel material corresponding to the current value is discharged by the fuel supply unit with reference to the environmental temperature.
  • the instruction target value of the part is determined. Therefore, even when the environmental temperature changes, the amount of fuel material corresponding to the current value can be supplied to the reformer, and the supply amount of gaseous fuel can be adjusted with high accuracy.
  • control unit stores the aging deterioration information of the flow rate measurement unit, and further refers to the stored aging deterioration information to determine the instruction target value. Also good.
  • control unit stores aging deterioration information of the flow rate measurement unit, and further includes a step of determining an instruction target value with reference to the aging deterioration information.
  • An aspect may be sufficient.
  • control unit may store an accumulated value of the operation time of the flow rate measurement unit as aged deterioration information.
  • control unit stores the accumulated value of the operation time of the flow rate measuring unit as the aging deterioration information, and refers to the accumulated value of the operation time.
  • An aspect provided with the step which determines a value may be sufficient.
  • control unit may store an accumulated value of the flow rate measured by the flow rate measurement unit as aged deterioration information.
  • control unit stores a cumulative value of the flow rate measured by the flow rate measurement unit as aged deterioration information, and the flow rate measured by the flow rate measurement unit is stored.
  • An aspect provided with the step which determines an indication target value with reference to a cumulative value may be sufficient.
  • the accumulated value of the flow rate measured by the flow rate measurement unit is used as the aged deterioration information, so that the flow rate measurement unit due to accumulation of impurities contained in the gaseous fuel, etc. Since the aged deterioration state can be easily estimated, the supply amount of the gaseous fuel can be adjusted with higher accuracy.
  • control unit may store the instruction target value as a map and determine the instruction target value based on the map.
  • control unit further stores the indicated target value as a map, and includes a step of determining the indicated target value based on the map. Good.
  • the calculation load can be further reduced by selecting the instruction value from the map.
  • the flow rate measuring unit is a volume based flow rate measuring unit.
  • the supply amount of gaseous fuel can be accurately adjusted even when the environmental temperature changes.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing one embodiment of a fuel cell system according to the present invention. It is a flowchart which shows the control procedure in a fuel cell system. It is a figure which shows the map of the cumulative value of the operation time of a flow measurement part. It is a flowchart which shows the control procedure in 2nd Embodiment.
  • the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a reformer 5 that generates a reformed gas containing hydrogen using gaseous fuel, and a solid oxide that generates power using the reformed gas.
  • the reformer 5 contains a reforming catalyst inside and generates a reformed gas by a reforming reaction such as steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming.
  • a reforming reaction such as steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming.
  • a known catalyst can be used as the reforming catalyst.
  • the gaseous fuel is a hydrocarbon-based fuel known in the field of solid oxide fuel cells as a raw material for reformed gas, that is, a compound containing carbon and hydrogen in its molecule (containing other elements such as oxygen). Or a mixture thereof may be used as appropriate.
  • it is a compound containing carbon and hydrogen in the molecule, such as hydrocarbons, alcohols and ethers. More specifically, methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, hydrocarbons such as gasoline, naphtha, kerosene and light oil, alcohols such as methanol and ethanol, dimethyl ether, etc. Ethers and the like. Of these, kerosene and LPG are easily available.
  • kerosene and LPG can be stored independently, they are useful in areas where city gas lines are not widespread. Furthermore, a solid oxide fuel cell using kerosene or LPG is useful as an emergency power source. In addition, in the case of the fuel which is liquid at normal temperature, it can be used as gaseous fuel, for example by vaporizing with a vaporizer.
  • the fuel cell 6 uses the reformed gas generated in the reformer 5 as fuel, and generates power in a cell stack formed by connecting a plurality of cells called SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) in series.
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cells
  • Each cell is configured by disposing an electrolyte, which is a solid oxide, between a fuel electrode and an air electrode.
  • the electrolyte is made of, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ), and conducts oxide ions at a temperature of 800 ° C. to 1000 ° C.
  • the fuel electrode is made of, for example, a mixture of nickel and YSZ, and generates electrons and water by reacting oxide ions with hydrogen in the reformed gas supplied to the fuel electrode.
  • the air electrode is made of, for example, lanthanum strontium manganite and reacts oxygen and electrons in the air supplied to the air electrode to generate oxide ions.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel supply device 2 that supplies gaseous fuel to the reformer 5, a flow rate measuring device 3 that measures the flow rate of the gaseous fuel supplied to the reformer 5 by the fuel supply device 2, A current value measuring device 7 that measures the current value of the output current of the fuel cell 6 and an environmental temperature measuring device 8 that measures the environmental temperature are provided. Furthermore, the fuel cell system 1 includes a control device 4 that controls the fuel supply device 2 based on the current value measured by the current value measuring device 7 and the environmental temperature measured by the environmental temperature measuring device 8.
  • the environmental temperature is an outside temperature in the environment where the fuel cell system 1 is installed.
  • the amount of fuel substance used in the following description is the number of moles or mass per unit time of the gaseous fuel supplied to the reformer 5 by the fuel supply device 2.
  • the fuel supply device 2 has a pump for supplying gaseous fuel to the reformer 5.
  • the fuel supply device 2 performs feedback control so that a value acquired by a flow rate measuring device 3 described later becomes a flow rate corresponding to the amount of fuel material per unit time of gaseous fuel to be supplied to the reformer 5, Gaseous fuel is supplied to the reformer 5.
  • the fuel supply device 2 outputs information indicating that it is in operation to the control device 4 during operation of the pump.
  • the fuel supply device 2 has a control valve or the like provided in the gas fuel supply line.
  • the flow rate measuring device 3 has a flow meter provided in the gas fuel supply line.
  • the flow rate measuring device 3 measures the flow rate of the gaseous fuel based on the volume, and outputs a measured value of the flow rate to the control device 4.
  • the measurement accuracy of the flow rate by the flow rate measuring device 3 is small and highly accurate in the initial stage of use.
  • mechanical deterioration of parts constituting the flow rate measuring device 3 or The measurement accuracy tends to decrease due to deterioration caused by adhesion of impurities contained in the gaseous fuel to the flow path.
  • the current value measuring device 7 has an ammeter that measures the sweep current value in the fuel cell 6, and outputs the measured sweep current value to the control device 4.
  • the environmental temperature measuring device 8 has a thermometer that measures the environmental temperature. Specifically, this thermometer is installed around the fuel supply device 2, measures the temperature around the fuel supply device 2, and outputs the measured environmental temperature to the control device 4.
  • the control device 4 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), an input / output interface, and the like, and controls the entire system of the fuel cell system 1. Is. That is, the control device 4 controls the amount of power generated in the fuel cell 6 (for example, current sweep from the fuel cell 6). Further, the control device 4 sets the sweep current value I output from the current measuring device 7, the environmental temperature K output from the environmental temperature measuring device 8, and the actual flow rate Fa of the gaseous fuel output from the flow rate measuring device 3. Get each. And the fuel supply apparatus 2 is controlled by performing a predetermined
  • prescribed process based on each acquired information.
  • the control device 4 stores in advance a fuel material amount of gaseous fuel to be supplied to the reformer 5 according to the sweep current value. Therefore, the control device 4 can determine the fuel material amount Nf of the gaseous fuel necessary for power generation by acquiring the sweep current I acquired from the current measuring device 7. Note that the amount of fuel substance corresponding to the sweep current value may be stored as a calculation formula, or a suitable value obtained experimentally may be stored as a map.
  • control device 4 refers to the environmental temperature K acquired from the environmental temperature measurement device 8 and determines the instruction target value Ft of the flow rate measurement device 3.
  • the instruction target value may be calculated each time using the gas equation of state, or a suitable instruction target value of the flow rate measuring device is stored in advance as a map for each environmental temperature, and the instruction target value is indicated with reference to the map. A target value may be determined.
  • control device 4 compares the actual fuel flow rate Fa discharged from the fuel supply device 2 acquired from the flow rate measurement device 3 with the indicated target value Ft of the flow rate measurement device 3. Then, the control device 4 controls the fuel supply device 2 so that the actual fuel flow rate Fa is equal to the indicated target value Ft. Specifically, the control device 4 increases the discharge amount of the fuel supply device 2 when the actual fuel flow rate Fa is smaller than the command target value Ft, and conversely, when the actual fuel flow rate Fa is larger than the command target value Ft. Controls the fuel supply device 2 so as to reduce the discharge amount of the fuel supply device 2.
  • the fuel cell system 1 includes a water vapor supply device that supplies water vapor to the reformer 5 and an air supply device that supplies air to the air electrode of the fuel cell 6.
  • the steam supply apparatus vaporizes water by a vaporizer provided integrally with the reformer 5 or separately from the reformer 5 and supplies the water to the reformer 5 as steam.
  • FIG. 2 is a flowchart of processing executed by the control device 4 when the fuel cell system is started and power generation is started in the first embodiment. Each process shown in FIG. 2 is repeatedly executed by the control device 4 during normal operation of the fuel cell system 1.
  • control device 4 acquires the sweep current value I (S1), and determines the fuel material amount Nf per unit time to be supplied to the reformer 5 at the acquired sweep current value I (S2).
  • control device 4 acquires the environmental temperature K (S3), and determines a desired flow rate X corresponding to the fuel material amount Nf at the temperature (S4). And the control apparatus 4 determines the instruction
  • the control device 4 acquires the fuel flow rate Fa supplied to the current reformer 5 (S6) and compares it with the indicated target value Ft (S7). If the current fuel flow rate Fa is equal to the indicated target value Ft, the process returns to step S1 and the processes of steps S1 to S7 are repeated. On the other hand, if the current fuel flow rate Fa and the command target value Ft are not equal, the control device 4 adjusts the output of the fuel supply device 2 (S8). Specifically, the control device 4 controls the fuel supply device 2 to increase the discharge amount of the fuel supply device 2 when Fa ⁇ Ft, and decreases the discharge amount of the fuel supply device 2 when Fa> Ft. Thus, the fuel supply device 2 is controlled. And it returns to step S6 and the control apparatus 4 acquires the present fuel flow volume Fa again, and compares with the instruction
  • the flow meter instruction target value Ft of the flow measurement device 3 is determined with reference to the environmental temperature, and the flow measurement device 3 determines the flow meter instruction target. Since the fuel supply device 2 is controlled so as to show the value and the gaseous fuel is supplied to the reformer 5, the amount of fuel substance corresponding to the current value of the output current of the fuel cell 6 regardless of the environmental temperature is high or low. Fuel supply becomes possible.
  • control device 4 can store the setting of the control instruction value based on the environmental temperature in advance as a map, it can store a more suitable value obtained experimentally in addition to the value obtained from the mathematical formula. Therefore, a suitable value can be realized with a low calculation load. Therefore, even when the environmental temperature changes, it is possible to accurately adjust the supply amount of the gaseous fuel while reducing the calculation load.
  • the fuel cell system of the second embodiment has the same configuration as the fuel cell system 1 shown in FIG. 1, but the control device 4 further stores aging deterioration information of the flow rate measuring device 3. Further, the processing in the control device 4 is different from that in the first embodiment.
  • the processing in the control device 4 includes processing that takes into account the aging deterioration information of the flow measurement device 3 when determining the instruction target value of the flow measurement device 3. Specifically, a cumulative value of the operation time of the flow rate measuring device 3 is used as the aging deterioration information.
  • FIG. 3 is a map showing the relationship between the fuel discharge amount taking the aging deterioration information into consideration and the flow rate measuring device 3 indicated value.
  • FIG. 4 is a flowchart of processing executed by the control device 4 when the fuel cell system is started and power generation is started in the present embodiment. Each process shown in FIG. 4 is repeatedly executed by the control device 4 during normal operation of the fuel cell system.
  • the control device 4 acquires the environmental temperature K (S3), determines a desired flow rate X corresponding to the fuel substance amount Nf at the temperature, and then the cumulative operation time of the flow measurement device 3 t is acquired (S9).
  • the control device 4 selects a map that is aged deterioration information from the accumulated operation time t of the flow rate measuring device 3. Specifically, when the desired fuel flow rate determined from the sweep current value I, the required fuel material amount Nf, and the environmental temperature K is X1, the control device 4 determines that 0 year ⁇ t year ⁇ 3 years.
  • the map M1 is referred to (S10 to S11A), and the instruction target value X1 is determined (S5A).
  • the control device 4 refers to the map M2 (S10 to S11B), and determines the indicated target value Ft to be X2 (S5B).
  • the control device 4 refers to the map M3 (S10 to S11C), and determines the indicated target value Ft to be X3 (S5C).
  • the current fuel flow rate Fa is compared with the indicated target value Ft.
  • the instruction target value Ft can be determined in consideration of an error between the instruction value of the flow rate measuring device 3 and the actual discharge amount due to deterioration due to accumulation in the flow path.
  • a matrix map may be used.
  • the aged deterioration information acquired in step S9 is not the accumulated operation time of the flow rate measuring device 3, but the accumulated value of the flow rate of the flow rate measuring device 3, the same effect as described above can be obtained.
  • this invention is not limited to the said embodiment.
  • the case of using a solid oxide fuel cell has been described, but the present invention can also be applied to a fuel cell system using a solid polymer fuel cell or a molten carbonate fuel cell.
  • the amount of gaseous fuel supplied to the fuel cell system can be accurately adjusted.
  • SYMBOLS 1 Fuel cell system, 2 ... Fuel supply apparatus (fuel supply part), 3 ... Flow measurement apparatus (flow measurement part), 4 ... Control apparatus (control part), 5 ... Reformer, 6 ... Fuel cell, 7 ... Current value measuring device (current value measuring unit), 8... Environmental temperature measuring device (environmental temperature measuring unit).

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Abstract

　燃料電池システムおよびその運転方法であって、気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、改質器に気体燃料を供給する燃料供給部と、改質器に供給される気体燃料の流量を測定する流量測定部と、燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定部と、環境温度を測定する環境温度測定部と、電流値に応じて改質器に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量を予め記憶し、環境温度を参照して燃料物質量に相当する流量で気体燃料を燃料供給部に吐出させるための流量測定部の指示目標値を決定し、流量測定部が指示目標値を示すよう燃料供給部を制御する制御部と、を備える。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
　本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
　燃料電池システムは、都市ガス、液化天然ガス（ＬＰＧ）、灯油等の水素含有燃料を改質器に供給して水素を生成し、水素を燃料電池スタックの燃料極に供給する。
　通常、ポンプによって燃料電池の燃料極に供給される気体燃料の流量は、物質量を一定として考えた場合、環境温度によって異なる場合がある。例えば、体積流量計を用いる場合は、寒冷地であれば濃度が高まるため小さい体積流量となり、温暖地であれば濃度が低くなるため大きい体積流量となる。このような現象は、寒冷地において気体燃料が濃くなることで効率が低下したり、温暖地において気体燃料が薄くなることで燃料枯れが生じて燃料電池の損傷を招く。
　従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載されるように、燃料電池の燃料極へ気体燃料を供給するポンプを備え、このポンプに対する制御指示値（出力制御量）をポンプ付近の環境温度（外気温度）に基づいて補正し、補正した制御指示値によりポンプを制御することで、環境温度が変化した場合でも供給量の安定化を図る燃料電池システムが知られている。
　このシステムでは、例えば、ある環境温度における制御指示値の基準値を記憶しており、システムの運転時における環境温度とその基準値に対応する環境温度との比を基準値に乗じることで、気体の状態方程式に基づく制御指示値の演算を行っている。
特開２００４－２０７１３３号公報
　しかしながら、実在の気体を取り扱う場合、また、上記特許文献１に記載されたような、外気温度及び出力電流に基づいて決定されるガス供給量を燃料電池等に供給するために、ガス供給手段の出力を直接的に調整する燃料電池システムにおいては、ガス供給手段の精度や劣化を考慮していないため、燃料電池等に実際に供給されるガス量が正確であるとは限らないという問題がある。
　本発明は、環境温度が変化する場合においても、気体燃料の供給量を精度良く調整することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
　本発明の一側面の燃料電池システムは、気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、改質器に気体燃料を供給する燃料供給部と、改質器に供給される気体燃料の流量を測定する流量測定部と、燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定部と、環境温度を測定する環境温度測定部と、電流値に応じて改質器に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量を予め記憶し、環境温度を参照して燃料物質量に相当する流量で気体燃料を燃料供給部に吐出させるための流量測定部の指示目標値を決定し、流量測定部が指示目標値を示すよう燃料供給部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムの運転方法は、気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、改質器に気体燃料を供給する燃料供給部と、改質器に供給される気体燃料の流量を測定する流量測定部と、燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定部と、環境温度を測定する環境温度測定部と、電流値に応じた燃料物質量を予め記憶する制御部と、を備えた燃料電池システムにおいて、電流値に応じて改質器に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量を決定するステップと、環境温度を参照して燃料物質量に相当する流量で気体燃料を燃料供給部に吐出させるための流量測定部の指示目標値を決定するステップと、流量測定部が指示目標値を示すよう燃料供給部を制御するステップと、を備えることを特徴とする。
　これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、環境温度を参照して、電流値に応じた燃料物質量に相当する流量の気体燃料が燃料供給部によって吐出されるよう、流量測定部の指示目標値が決定される。よって、環境温度が変化する場合においても、電流値に応じた燃料物質量を改質器に供給することができ、気体燃料の供給量を精度良く調整することができる。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムにおいて、制御部は、流量測定部の経年劣化情報を記憶しており、記憶した経年劣化情報を更に参照して指示目標値を決定する態様であってもよい。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムの運転方法において、制御部は、流量測定部の経年劣化情報を記憶しており、経年劣化情報を参照して指示目標値を決定するステップを更に備える態様であってもよい。
　これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、長期間の使用により流量測定部に経年劣化が生じた場合であっても、この経年劣化が燃料供給部の制御に加味されるため、燃料供給部の精度や劣化に拠らず、気体燃料の供給量を確実に調整でき、システムの運用効率および長期信頼性を高めることができる。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムにおいて、制御部は、流量測定部の運転時間の累積値を経年劣化情報として記憶する態様であってもよい。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムの運転方法において、制御部は、流量測定部の運転時間の累積値を経年劣化情報として記憶しており、運転時間の累積値を参照して指示目標値を決定するステップを備える態様であってもよい。
　これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、経年劣化情報として流量測定部の運転時間の累積値を用いることにより、流量測定部を構成する部品等の機械的な劣化を容易に推定することができるため、気体燃料の供給量をより精度良く調整することができる。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムにおいて、制御部は、流量測定部によって測定される流量の累積値を経年劣化情報として記憶する態様であってもよい。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムの運転方法において、制御部は、流量測定部によって測定される流量の累積値を経年劣化情報として記憶しており、流量測定部によって測定される流量の累積値を参照して指示目標値を決定するステップを備える態様であってもよい。
　これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、経年劣化情報として流量測定部によって測定される流量の累積値を用いることにより、気体燃料に含まれる不純物の蓄積等による流量測定部の経年劣化状態を容易に推定することができるため、気体燃料の供給量をより精度良く調整することができる。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムにおいて、制御部は、指示目標値をマップとして記憶しており、マップに基づいて指示目標値を決定する態様であってもよい。
　また、本発明の一側面の燃料電池システムの運転方法において、制御部は、指示目標値をマップとして更に記憶しており、マップに基づいて指示目標値を決定するステップを備える態様であってもよい。
　これらの燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、環境温度測定部及び電流値測定部によってそれぞれ測定される環境温度及び電流値、若しくは流量測定部の経年劣化情報に対応づけられた制御指示値をマップから選択することにより、演算負荷を一層低減することができる。
　また、上記作用をより効果的に発揮させる構成としては、流量測定部は、体積に基づく流量測定部である構成が挙げられる。
　本発明の一側面によれば、環境温度が変化する場合においても、気体燃料の供給量を精度良く調整することができる。
本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示すブロック図である。 燃料電池システムにおける制御手順を示すフローチャートである。 流量測定部の運転時間の累積値のマップを示す図である。 第２実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　［第１実施形態］
　図１に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１は、気体燃料を用いて水素を含有する改質ガスを生成する改質器５と、改質ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池６と、を備えている。
　改質器５は、内部に改質触媒を収容しており、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質などの改質反応により、改質ガスを生成する。改質触媒としては、公知の触媒を用いることができる。
　気体燃料としては、改質ガスの原料として固体酸化物方燃料電池の分野で公知の炭化水素系燃料、すなわち、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはその混合物から適宜選んで用いることができる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類等、分子中に炭素と水素とを含む化合物である。より具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素類、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類等である。なかでも、灯油やＬＰＧは、入手が容易である。また、灯油やＬＰＧは、独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。更に、灯油やＬＰＧを利用した固体酸化物方燃料電池は、非常用電源として有用である。なお、常温で液体である燃料の場合、例えば気化器によって気化することで、気体燃料として用いることができる。
　燃料電池６は、改質器５で生成された改質ガスを燃料として用い、ＳＯＦＣ（Solid　Oxide　Fuel　Cells）と称される複数のセルを直列させてなるセルスタックで発電を行う。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と空気極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（Yttria－Stabilized　Zirconia；ＹＳＺ）からなり、８００℃～１０００℃の温度で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと燃料極に供給される改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。空気極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイト（Lanthanum　Strontium　Manganite）からなり、空気極に供給される空気中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
　また、燃料電池システム１は、改質器５に気体燃料を供給する燃料供給装置２と、燃料供給装置２によって改質器５に供給される気体燃料の流量を測定する流量測定装置３と、燃料電池６の出力電流の電流値を測定する電流値測定装置７と、環境温度を測定する環境温度測定装置８と、を備えている。更に、燃料電池システム１は、電流値測定装置７によって測定された電流値および環境温度測定装置８によって測定された環境温度に基づいて燃料供給装置２を制御する制御装置４を備えている。
　ここで、環境温度とは、燃料電池システム１が設置された環境における外気温である。更に、以下の説明において用いる燃料物質量とは、燃料供給装置２によって改質器５に供給される気体燃料の単位時間あたりのモル数あるいは質量である。
　燃料供給装置２は、改質器５に気体燃料を供給するためのポンプを有している。燃料供給装置２は、後述する流量測定装置３で取得される値が、改質器５に供給すべき気体燃料の単位時間当たりの燃料物質量に相当する流量になるようフィードバック制御することにより、改質器５に気体燃料を供給する。
　燃料供給装置２は、ポンプの運転中においては、運転中である旨を示す情報を制御装置４に出力する。燃料供給装置２は、ポンプのほか、気体燃料の供給ラインに設けられた調節弁等を有している。
　流量測定装置３は、気体燃料の供給ラインに設けられた流量計を有している。流量測定装置３は、体積に基づく気体燃料の流量を測定し、流量の測定値を制御装置４に出力する。ここで、流量測定装置３による流量の測定精度は、使用初期においては誤差が小さく高精度であるが、使用年月が長くなるにつれて、流量測定装置３を構成する部品の機械的な劣化や、気体燃料に含まれる不純物等が流路に付着することによる劣化により、測定精度が低下する傾向にある。
　電流値測定装置７は、燃料電池６における掃引電流値を測定する電流計を有しており、測定した掃引電流値を制御装置４に出力する。
　環境温度測定装置８は、環境温度を測定する温度計を有している。この温度計は、具体的には、燃料供給装置２の周辺に設置されて、燃料供給装置２の周辺の温度を測定し、測定した環境温度を制御装置４に出力する。
　制御装置４は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、及び入出力インターフェイス等を有して構成されており、燃料電池システム１のシステム全体を制御するものである。すなわち、制御装置４は、燃料電池６における発電量（例えば燃料電池６からの電流掃引）を制御する。また、制御装置４は、電流測定装置７から出力される掃引電流値Ｉを、環境温度測定装置８から出力される環境温度Ｋを、また流量測定装置３から出力される気体燃料の実流量Ｆａをそれぞれ取得する。そして、取得した各情報に基づいて所定の処理を実行することにより、燃料供給装置２を制御する。
　制御装置４は、掃引電流値に応じた改質器５に供給すべき気体燃料の燃料物質量を予め記憶している。そのため、制御装置４は、電流測定装置７から取得した掃引電流Ｉを取得することにより、発電に必要な気体燃料の燃料物質量Ｎｆを決定することができる。なお、掃引電流値に応じた燃料物質量は、計算式として記憶していてもよいし、実験的に得られた好適な値をマップとして記憶していてもよい。
　また、制御装置４は、環境温度測定装置８から取得した環境温度Ｋを参照して、流量測定装置３の指示目標値Ｆｔを決定する。指示目標値は、気体の状態方程式を用いて都度演算を行ってもよいし、環境温度毎に流量測定装置の好適な指示目標値をマップとして予め記憶しておき、そのマップを参照して指示目標値を決定してもよい。
　更に、制御装置４は、流量測定装置３から取得した燃料供給装置２が吐出している実際の燃料流量Ｆａと、流量測定装置３の指示目標値Ｆｔとを比較する。そして、制御装置４は、実際の燃料流量Ｆａと指示目標値Ｆｔとが等しくなるように燃料供給装置２を制御する。具体的には、制御装置４は、実際の燃料流量Ｆａが指示目標値Ｆｔより小さい場合は燃料供給装置２の吐出量を上げ、反対に、実際の燃料流量Ｆａが指示目標値Ｆｔより大きい場合は燃料供給装置２の吐出量を下げるように、燃料供給装置２を制御する。
　なお、図示は省略するが、燃料電池システム１は、改質器５に水蒸気を供給する水蒸気供給装置と、燃料電池６の空気極に空気を供給する空気供給装置と、を備えている。水蒸気供給装置は、改質器５と一体に又は改質器５とは別体に設けられた気化器によって水を気化し、水蒸気として改質器５に供給する。
　続いて、本実施形態における制御装置４の機能について説明する。図２は、第１実施形態において、燃料電池システムが起動し、発電を開始したときに制御装置４が実行する処理のフロー図である。図２に示される各処理は、燃料電池システム１の通常運転中、制御装置４によって繰り返し実行される。
　まず、制御装置４は、掃引電流値Ｉを取得し（Ｓ１）、取得した掃引電流値Ｉのときに改質器５に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量Ｎｆを決定する（Ｓ２）。
　次に、制御装置４は、環境温度Ｋを取得し（Ｓ３）、当該温度において燃料物質量Ｎｆに相当する所望の流量Ｘを決定する（Ｓ４）。そして、制御装置４は、当該所望の流量で気体燃料を燃料供給装置２に吐出させるための流量測定装置３の指示目標値Ｆｔを決定する（Ｓ５）。
　次に、制御装置４は、現在の改質器５に供給されている燃料流量Ｆａを取得し（Ｓ６）、指示目標値Ｆｔと比較する（Ｓ７）。現在の燃料流量Ｆａと指示目標値Ｆｔとが等しい場合は、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１～Ｓ７の処理を繰り返す。一方、現在の燃料流量Ｆａと指示目標値Ｆｔとが等しくない場合は、制御装置４は、燃料供給装置２の出力を調整する（Ｓ８）。具体的には、制御装置４は、Ｆa＜Ｆｔの場合は燃料供給装置２の吐出量を増やすように燃料供給装置２を制御し、Ｆａ＞Ｆｔの場合は燃料供給装置２の吐出量を減らすように燃料供給装置２を制御する。そして、ステップＳ６に戻り、制御装置４は、再び現在の燃料流量Ｆａを取得して指示目標値Ｆｔと比較する。
　本実施形態の燃料電池システム１及び燃料電池システム１の運転方法によれば、環境温度を参照して流量測定装置３の流量計指示目標値Ｆｔが決定され、流量測定装置３が流量計指示目標値を示すように燃料供給装置２が制御されて気体燃料が改質器５に供給されるため、環境温度の高低に関わらず、燃料電池６の出力電流の電流値に応じた燃料物質量の燃料供給が可能になる。
　また、制御装置４は、環境温度に基づく制御指示値の設定を予めマップとして記憶することができるため、数式から求められる値の他、実験的に得られたより好適な値を記憶することができ、好適な値を低演算負荷で実現することができる。従って、環境温度が変化する場合においても、演算負荷を低減しつつ気体燃料の供給量を精度よく調整することができる。
　［第２実施形態］
　第２実施形態の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１と同様の構成を有しているが、制御装置４は、流量測定装置３の経年劣化情報を更に記憶しており、また、制御装置４における処理が第１実施形態とは異なっている。本実施形態においては、制御装置４における処理は、流量測定装置３の指示目標値を決定する際に流量測定装置３の経年劣化情報を加味する処理を有する。具体的には、経年劣化情報として、流量測定装置３の運転時間の累積値を用いる。図３は、当該経年劣化情報を加味した燃料吐出量と流量測定装置３指示値との関係を示すマップである。図４は、本実施形態において、燃料電池システムが起動し、発電を開始したときに制御装置４が実行する処理のフロー図である。図４に示される各処理は、燃料電池システムの通常運転中、制御装置４によって繰り返し実行される。
　図４に示されるように、制御装置４は、環境温度Ｋを取得し（Ｓ３）、当該温度において燃料物質量Ｎｆに相当する所望の流量Ｘを決定した後、流量測定装置３の累積運転時間ｔを取得する（Ｓ９）。制御装置４は、流量測定装置３の累積運転時間ｔから経年劣化情報であるマップを選択する。具体的には、掃引電流値Ｉ、必要な燃料物質量Ｎｆ及び環境温度Ｋから決定される所望の燃料流量がＸ１である場合、制御装置４は、０年≦ｔ年＜３年の場合はマップＭ１を参照し（Ｓ１０～Ｓ１１Ａ）、指示目標値Ｘ１に決定する（Ｓ５Ａ）。制御装置４は、３年≦ｔ年＜５年の場合はマップＭ２を参照し（Ｓ１０～Ｓ１１Ｂ）、指示目標値ＦｔをＸ２に決定する（Ｓ５Ｂ）。制御装置４は、５年≦ｔ年＜６年の場合はマップＭ３を参照し（Ｓ１０～Ｓ１１Ｃ）、指示目標値ＦｔをＸ３に決定する（Ｓ５Ｃ）。以下、第１実施形態と同様に、現在の燃料流量Ｆａと指示目標値Ｆｔとを比較する。
　本実施形態の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、流量測定装置３を長期使用することにより生じる流量測定装置３を構成する部品類の機械的劣化や、燃料に含まれる不純物が流路に蓄積することによる劣化による、流量測定装置３の指示値と実際の吐出量との誤差を加味して指示目標値Ｆｔを決定することができる。これによって気体燃料の供給量を精度良く調整でき、システムの運用効率および長期信頼性を高めて長期的な寿命を確保することができる。
　なお、上述の実施形態では、グラフ形式のマップを用いて説明したが、マトリックス形式のマップを用いてもよい。また、なお、ステップＳ９で取得する経年劣化情報は、流量測定装置３の累積運転時間ではなく、流量測定装置３の流量の累積値を用いても上記と同様の効果を得ることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池を用いる場合について説明したが、本発明は、固体高分子形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池を用いた燃料電池システムにも適用できる。
　また、上記各実施形態における運転方法では、ステップＳ８の後、流量の測定値を流量の指示目標値に追従させるステップＳ６に戻る場合について説明したが、掃引電流値を取得するステップＳ１や、環境温度を取得するステップＳ３に戻ってもよい。
　本発明によれば、環境温度が変化する場合においても、燃料電池システムの気体燃料の供給量を精度良く調整することができる。
　１…燃料電池システム、２…燃料供給装置（燃料供給部）、３…流量測定装置（流量測定部）、４…制御装置（制御部）、５…改質器、６…燃料電池、７…電流値測定装置（電流値測定部）、８…環境温度測定装置（環境温度測定部）。

Claims (11)

  1. 　気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
    　前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
    　前記改質器に前記気体燃料を供給する燃料供給部と、
    　前記改質器に供給される前記気体燃料の流量を測定する流量測定部と、
    　前記燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定部と、
    　環境温度を測定する環境温度測定部と、
    　前記電流値に応じて前記改質器に供給すべき単位時間当たりの燃料物質量を予め記憶し、前記環境温度を参照して前記燃料物質量に相当する流量で前記気体燃料を前記燃料供給部に吐出させるための前記流量測定部の指示目標値を決定し、前記流量測定部が前記指示目標値を示すよう前記燃料供給部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記制御部は、前記流量測定部の経年劣化情報を記憶しており、記憶した前記経年劣化情報を更に参照して前記指示目標値を決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記制御部は、前記流量測定部の運転時間の累積値を前記経年劣化情報として記憶することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記制御部は、前記流量測定部によって測定される流量の累積値を前記経年劣化情報として記憶することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記制御部は、前記指示目標値をマップとして記憶しており、前記マップに基づいて前記指示目標値を決定することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記流量測定部は、体積に基づく流量測定部である請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 　気体燃料の改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
    　前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
    　前記改質器に前記気体燃料を供給する燃料供給部と、
    　前記改質器に供給される前記気体燃料の流量を測定する流量測定部と、
    　前記燃料電池の出力電流の電流値を測定する電流値測定部と、
    　環境温度を測定する環境温度測定部と、
    　前記電流値に応じた燃料物質量を予め記憶する制御部と、を備えた燃料電池システムにおいて、
    　前記電流値に応じて前記改質器に供給すべき単位時間当たりの前記燃料物質量を決定するステップと、
    　前記環境温度を参照して前記燃料物質量に相当する流量で前記気体燃料を前記燃料供給部に吐出させるための前記流量測定部の指示目標値を決定するステップと、
    　前記流量測定部が前記指示目標値を示すよう前記燃料供給部を制御するステップと、を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  8. 　前記制御部は、前記流量測定部の経年劣化情報を記憶しており、
    　前記経年劣化情報を参照して前記指示目標値を決定するステップを更に備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの運転方法。
  9. 　前記制御部は、前記流量測定部の運転時間の累積値を前記経年劣化情報として記憶しており、
    　前記運転時間の累積値を参照して前記指示目標値を決定するステップを備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
  10. 　前記制御部は、前記流量測定部によって測定される流量の累積値を前記経年劣化情報として記憶しており、
    　前記流量測定部によって測定される流量の累積値を参照して前記指示目標値を決定するステップを備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
  11. 　前記制御部は、前記指示目標値をマップとして更に記憶しており、
    　前記マップに基づいて前記指示目標値を決定するステップを備えることを特徴とする請求項７～１０のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
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