WO2013111776A1

WO2013111776A1 - 燃料供給システム、燃料電池システム、及びそれらの運転方法

Info

Publication number: WO2013111776A1
Application number: PCT/JP2013/051302
Authority: WO
Inventors: 庄一塚越; 水野　康
Original assignee: Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-08-01
Also published as: EP2808609A1; CN104067052A; JPWO2013111776A1; US20140377678A1

Abstract

　ガス燃料の組成が変化しても、適切な量のガス燃料の供給を可能とする。　ガス燃料の供給路に熱式流量計３と直列に、ガス燃料の組成に依存せずに流量を計測可能な組成非依存流量計４を配置する。熱式流量計３の計測値と組成非依存流量計４の計測値とが一定以上乖離した場合、異常状態であると判断し、熱式流量計３の計測値に対する換算係数を設定する。設定された換算係数に基づいて、ガス燃料の組成を推定し、推定された組成に基づいて、ガス燃料の目標供給量を補正して制御する。

Description

燃料供給システム、燃料電池システム、及びそれらの運転方法

　本発明は、炭化水素系のガス燃料（都市ガス、ＬＰＧなど）を供給する燃料供給装置を含んで構成される燃料供給システム又は燃料電池システムに関し、特にガス燃料の供給量を制御する技術に関する。

　燃料供給システムでは、ガス燃料の供給路にガス燃料の流量を計測する流量計を配置し、計測流量に基づいて、燃料の供給量をフィードバック制御したり、他の制御のパラメータとして用いたりしている。前記流量計としては、一般に、質量流量計である熱式流量計が使用される。熱式流量計は、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ためである。

　しかし、ガス燃料の性状（組成や熱量）が変化することにより、満足な制御が行えなくなる。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であっても地域により、組成や熱量が異なり、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。このように燃料の性状、特に組成が異なると、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。

　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
　熱式流れセンサを用いたカルマン渦流量計において、流路内を流通するガス種を自動判別する。このため、被測定ガスの質量流量と発熱抵抗体に流れる電流値との相関関係情報をガス種毎に記憶しておき、ストローハル数がガス種によらず一定となる流領域における質量流量とそのときの電流値とから、前記相関関係情報に基づき、被測定ガスの種類を判別する。判別後は、ガス種に特有の補正係数に基づいて質量流量を補正することで、質量流量を高精度に検出可能とする。
（２）特許文献２
　複数の容器の気体を混合して供給する場合に、混合する気体の流量をそれぞれの容器の重量減少量から測定し、混合気体の組成を予め計算することで、熱式流量計に対する換算係数を取得し、混合気体の質量流量の精密な測定を可能にする。
（３）特許文献３
　組成が未知の燃料の性状を表現した特性図を作成し、該特性図で示される組成が未知の燃料の特性曲線と組成が既知の燃料の特性曲線とを比較して、未知の燃料の組成を特定する。燃料の性状としては、空気比と排気ガス酸素濃度との特性、すなわち吸気Ａ／Ｆに対する排気Ａ／Ｆの関係を用いる。

日本国公開特許公報：特開２０１１－２０３０７５号日本国公開特許公報：特開２００７－０２４５１１号日本国公開特許公報：特開２００４－０１１４８７号

　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
　ストローハル数が一定となる流領域でしかガス種を判別できない。また予め情報が記憶されたガス種しか判別できないため、ガス組成の動的な変化に対応できない。
（２）特許文献２
　予め混合気体の組成を取得する必要があり、組成を取得できない場合には、対応できない。
（３）特許文献３
　燃料組成の特定には一旦燃料を反応（燃焼）させる必要があり、燃焼等の用途にしか使えないだけでなく、運転開始前に燃料組成を把握することができない。また、燃料組成特定用のデータの取得のためにＡ／Ｆを振ることが必要であり、調整が不適切な状態から運転を開始せざるを得ない状況となる可能性がある。

　本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、熱式流量計は、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が、燃料の性状、特に組成が異なると、正しい値を示さなくなって、好適な制御が困難となることから、燃料の性状が変化した場合であっても、好適な制御を行うことのできる燃料供給システムを提供することを課題とする。
　本発明はまた、汎用の燃料供給システムのみならず、ガス燃料を改質して用いる燃料電池システムを提供することも課題とする。

　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装置と、前記燃料供給装置により供給される前記ガス燃料の流量を計測する流量計と、前記流量計の信号が入力されていて前記燃料供給装置の供給量を制御する制御装置と、を含んで構成される。

　ここにおいて、前記流量計としては、熱式流量計と、前記ガス燃料の組成に依存せずに流量を計測可能な組成非依存流量計とを備える。
　前記制御装置は、前記熱式流量計の計測値と前記組成非依存流量計の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定部と、前記異常状態であると判断された場合に、前記熱式流量計の計測値に対する換算係数（コンバージョンファクタ）を設定する換算係数設定部と、前記換算係数に基づいて、前記燃料供給装置による前記ガス燃料の供給量を調整する供給量調整部と、を含んで構成される。

　前記換算係数設定部は、前記組成非依存流量計の計測値と前記熱式流量計の計測値との比に基づいて、換算係数を設定する構成とするとよい。

　前記供給量調整部は、前記換算係数設定部にて設定された換算係数に基づいて、前記ガス燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定部と、推定された燃料性状に基づいて、前記ガス燃料の目標供給量を補正する目標供給量補正部と、を含んで構成されるとよい。

　前記燃料性状推定部は、前記換算係数設定部にて設定された換算係数と、前記ガス燃料の主成分について予め定めた換算係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、前記換算係数設定部にて設定された換算係数と、前記主成分及び前記特定した副成分について予め定めた換算係数とに基づいて、前記主成分及び前記特定した副成分のモル分率を求める構成とするとよい。
　前記副成分候補は、前記ガス燃料の主成分とは熱量の異なる可燃性成分と、不燃性成分とするとよい。

　尚、燃料供給システムの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が、本発明は次のような燃料電池システムにも適用可能である。
　すなわち、本発明は、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、前記改質装置に前記ガス燃料を供給する燃料供給装置と、前記改質装置に前記水蒸気改質用の水を供給する改質水供給装置と、前記燃料供給装置から前記改質装置へ供給される前記ガス燃料の流量を計測する流量計と、前記流量計の信号が入力されていて前記燃料供給装置及び前記改質水供給装置の各供給量を制御する制御装置と、を含んで構成される燃料電池システムにも適用可能である。
　この場合の前記供給量調整部は、前記換算係数に基づいて、前記燃料供給装置及び前記改質水供給装置による前記ガス燃料の供給量及び前記水の供給量を調整する。
　従って、この場合の前記供給量調整部は、前記換算係数設定部にて設定された換算係数に基づいて、前記ガス燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定部と、推定された燃料性状と目標発電条件とに基づいて、前記ガス燃料の目標供給量及び前記水の目標供給量を算出する目標供給量算出部と、を含んで構成されるとよい。

　本発明によれば、ガス燃料の性状が変化した場合であっても、好適な燃料供給を行うことが可能になるという効果を奏する。
　また、多様な組成の燃料が供給される燃料電池システムにおいて、複雑かつ高価な構成の機器を設置することなく、適正な量の燃料と改質水の供給が可能となるという効果を奏する。

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第１実施形態での制御装置内の機能ブロック図第１実施形態での計測流量異常判定のフローチャート第１実施形態での計測流量異常時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第２実施形態での制御装置内の機能ブロック図第２実施形態での計測流量異常時制御のフローチャート

　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に適用した実施形態について図１～図４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装置２を含んで構成される。本実施形態では特にガス燃料として天然ガス由来の都市ガスを供給するものとする。

　燃料供給装置２は、ガス燃料供給源に接続された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。
　燃料供給装置２から供給対象１へのガス燃料の供給路には、熱式流量計（熱式質量流量計）３と、組成非依存流量計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。

　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ため、主たる流量計として使用する。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。

　組成非依存流量計４は、測定対象のガスの組成に依存することなく流量を測定できる流量計で、例えば、容積流量計、超音波流量計、コリオリ流量計、渦流量計などを用いることができる。組成非依存流量計４は補助的な流量計として使用する。尚、体積流量計、質量流量計のいずれであってもよいが、本実施形態では体積流量計であるとして説明する。

　燃料温度センサ５は燃料温度Ｔｆを検出する。燃料圧力センサ６は燃料圧力Ｐｆを検出する。
　これら熱式流量計３、組成非依存流量計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、組成非依存流量計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、燃料供給装置２の作動を制御する。尚、制御装置７は、燃料供給装置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。
　通常制御では、主に、目標供給条件に従って目標燃料供給量を設定し、燃料供給装置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。また、熱式流量計３の計測流量は必要により他の制御のパラメータとして使用される。

　一方、熱式流量計３の計測流量異常に対処するため、制御装置７内には、図２の機能ブロック図に示すように、熱式流量計３の計測値と組成非依存流量計４の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定部Ａと、前記異常状態であると判断された場合に、熱式流量計３の計測値に対する換算係数（コンバージョンファクタ）を設定する換算係数設定部Ｂと、前記換算係数に基づいて、燃料供給装置２によるガス燃料の供給量を調整する供給量調整部Ｃとが備えられる。

　計測流量異常判定部Ａは、熱式流量計３の計測値と組成非依存流量計４の計測値とが一定以上乖離することで、異常状態である（熱式流量計３の計測値が実際の流量と異なっている）と判断する。
　換算係数設定部Ｂは、組成非依存流量計４の計測値と熱式流量計３の計測値との比に基づいて、換算係数を設定する。
　供給量調整部Ｃは、換算係数設定部Ｂにて設定された換算係数に基づいて、ガス燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定部Ｃ１と、推定された燃料性状に基づいて、ガス燃料の目標供給量を補正する目標供給量補正部Ｃ２と、を含んで構成される。

　ここで、計測流量異常判定部Ａの機能は図３のフローチャートにより実現され、換算係数設定部Ｂ及び供給量調整部Ｃの機能は図４のフローチャートにより実現される。

　図３は計測流量異常判定のフローチャートである。
　Ｓ１では、熱式流量計３の計測値（熱式流量計値）の積算を開始する。
　Ｓ２では、組成非依存流量計４の計測値（組成非依存流量計値）の積算を開始する。
　Ｓ３では、これらの積算を所定時間実行し、最終的な積算値として、熱式流量計積算値（質量流量）Ｑ１、及び、組成非依存流量計積算値（体積流量）Ｑ２を得る。

　Ｓ４では、熱式流量計積算値（質量流量）Ｑ１をノルマル流量（標準状態の体積流量）に変換する。具体的には、次式により、変換後熱式流量計積算値Ｑ１’を算出する。
　変換後熱式流量計積算値Ｑ１’＝Ｑ１÷γ
　すなわち、熱式流量計積算値Ｑ１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’）に変換する。

　Ｓ５では、組成非依存流量計積算値（体積流量）Ｑ２をノルマル変換する。具体的には、次式により、変換後組成非依存流量計積算値Ｑ２’を算出する。
　変換後組成非依存流量計積算値Ｑ２’＝
　Ｑ２×（273.15÷（273.15＋Ｔｆ））×（（101.33＋Ｐｆ）÷101.33）
　すなわち、組成非依存流量計積算値（体積流量）Ｑ２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’）に変換する。尚、燃料温度Ｔｆ及び燃料圧力Ｐｆは燃料温度センサ５及び燃料圧力センサ６の各検出値である。

　Ｓ６では、変換後熱式流量計積算値Ｑ１’と変換後組成非依存流量計積算値Ｑ２’とが一定以上乖離しているか否かを判定する。
　具体的には、「｜Ｑ１’－Ｑ２’｜／Ｑ２’＞所定値」又は「｜Ｑ２’－Ｑ１’｜／Ｑ１’＞所定値」か否かを判定する。尚、単純に「｜Ｑ１’－Ｑ２’｜＞所定値」か否かを判定してもよい。
　尚、後述する図４のフローチャートのＳ１４と同様に換算係数CFを算出し、「換算係数CFが所定の上限値以上又は所定の下限値以下」か否かを判定するようにしてもよい。

　この判定の結果、ＮＯの場合（乖離していない場合）は、Ｓ７へ進んで、通常制御を実施するようにする。これに対し、ＹＥＳの場合（乖離している場合）は、熱式流量計５の計測値が実際の流量と異なっていると判断して、Ｓ８へ進み、計測流量異常時制御（図４のフロー）へ移行する。

　図４は計測流量異常時制御（異常判定時の燃料供給量の制御）のフローチャートである。
　Ｓ１１では、熱式流量計３の計測値（熱式流量計値）の積算を開始する。
　Ｓ１２では、組成非依存流量計４の計測値（組成非依存流量計値）の積算を開始する。
　Ｓ１３では、これらの積算を所定時間実行し、最終的な積算値として、熱式流量計積算値（質量流量）Ｑ１、及び、組成非依存流量計積算値（体積流量）Ｑ２を得る。

　Ｓ１４では、次式により、換算係数CFを算出する。
　換算係数CF＝〔Ｑ２×（273.15÷（273.15＋Ｔｆ））×（（101.33＋Ｐｆ）÷101.33）〕／〔Ｑ１÷γ〕

　言い換えれば、図３のフローチャートのＳ４、Ｓ５と同様に、変換後熱式流量計積算値Ｑ１’、変換後組成非依存流量計積算値Ｑ２’を算出し、これらの比をとって、換算係数CF＝Ｑ２’／Ｑ１’を算出する。

　すなわち、熱式流量計積算値（質量流量）Ｑ１をノルマル流量（標準状態の体積流量）に変換する。具体的には、次式により、変換後熱式流量計積算値Ｑ１’を算出する。
　変換後熱式流量計積算値Ｑ１’＝Ｑ１÷γ
　すなわち、熱式流量計積算値Ｑ１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’）に変換する。

　また、組成非依存流量計積算値（体積流量）Ｑ２をノルマル変換する。具体的には、次式により、変換後組成非依存流量計積算値Ｑ２’を算出する。
　変換後組成非依存流量計積算値Ｑ２’＝
　Ｑ２×（273.15÷（273.15＋Ｔｆ））×（（101.33＋Ｐｆ）÷101.33）
　すなわち、組成非依存流量計積算値（体積流量）Ｑ２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’）に変換する。尚、燃料温度Ｔｆ及び燃料圧力Ｐｆは燃料温度センサ５及び燃料圧力センサ６の各検出値である。

　そして、これらの変換後、変換後熱式流量計積算値Ｑ１’と変換後組成非依存流量計積算値Ｑ２’との比をとり、換算係数CFを算出する（次式参照）。
　換算係数CF＝Ｑ２’／Ｑ１’

　Ｓ１５では、換算係数CFがメタンＣＨ４の換算係数CF(CH4) ＝0.74より小さいか否かを判定する。判定結果によって、組成を近似するためである。
　換算係数CFがメタンＣＨ４の換算係数CF(CH4) より小さい場合（CF＜CF(CH4) の場合）は、Ｓ１６～Ｓ１８へ進む。この場合は、メタンＣＨ４とプロパンＣ３Ｈ８との２成分からなると推定し、これらのモル分率を計算する。

　Ｓ１６では、Ｓ１４で求めた換算係数CFと、メタンＣＨ４の換算係数CF(CH4) ＝0.74と、プロパンＣ３Ｈ８の換算係数CF(C3H8)＝0.34とから、次式により、メタンＣＨ４のモル分率を算出する。
　ＣＨ４のモル分率＝〔CF(CH4)×CF(C3H8)／CF－CF(CH4)〕／〔CF(C3H8)－CF(CH4)〕

　尚、この式は、次のようにして求められる。
　換算係数＝１／Σ（成分ｉの体積分率／成分ｉの換算係数）
であり、
ＣＨ４とＣ３Ｈ８との２成分とし、圧縮係数は無視して体積分率＝モル分率とし、ＣＨ４のモル分率をＸと置くと、Ｃ３Ｈ８のモル分率は１－Ｘとなるので、
　CF＝１／〔Ｘ／CF(CH4)＋（１－Ｘ）／CF(C3H8)〕
となり、これをＸについて解くことで、上記の式が得られる。

　Ｓ１７では、Ｓ１６で求めたメタンＣＨ４のモル分率から、プロパンＣ３Ｈ８のモル分率を次式により算出する。
　Ｃ３Ｈ８のモル分率＝１－ＣＨ４のモル分率

　Ｓ１８では、前記推定の下、窒素Ｎ２のモル分率を次式の通り０とする。
　Ｎ２のモル分率＝０

　換算係数CFがメタンＣＨ４の換算係数CF(CH4) より大きい場合（CF＞CF(CH4) の場合）は、Ｓ１９～Ｓ２１へ進む。この場合は、メタンＣＨ４と窒素Ｎ２との２成分からなると推定し、これらのモル分率を計算する。

　Ｓ１９では、Ｓ１４で求めた換算係数CFと、メタンＣＨ４の換算係数CF(CH4) ＝0.74と、窒素Ｎ２の換算係数CF(N2)＝1.00とから、次式により、メタンＣＨ４のモル分率を算出する。
　ＣＨ４のモル分率＝〔CF(CH4)×CF(N2)／CF－CF(CH4)〕／〔CF(N2)－CF(CH4)〕
　尚、この式も、前述と同様に求められる。

　Ｓ２０では、Ｓ１９で求めたメタンＣＨ４のモル分率から、窒素Ｎ２のモル分率を次式により算出する。
　Ｎ２のモル分率＝１－ＣＨ４のモル分率

　Ｓ２１では、前記推定の下、プロパンＣ３Ｈ８のモル分率を次式の通り０とする。
　Ｃ３Ｈ８のモル分率＝０

　Ｓ１６～Ｓ１８、又はＳ１９～Ｓ２１でのモル分率の計算後は、Ｓ２２へ進む。
　Ｓ２２では、上記のように推定されたガス燃料の組成（メタンＣＨ４のモル分率とプロパンＣ３Ｈ８のモル分率）に基づき、予め定めた関数ｆを用いて、燃料供給量に対する補正係数Ｋを算出する（次式参照）。
　補正係数Ｋ＝ｆ（ＣＨ４のモル分率，Ｃ３Ｈ８のモル分率）
　尚、実際のメタンＣＨ４及びプロパンＣ３Ｈ８の各モル分率（推定値）は、設計上のガス組成でのメタンＣＨ４及びプロパンＣ３Ｈ８の各モル分率（設計値）に対する偏差として捉えてもよい。

　Ｓ２３では、目標供給条件に基づく目標燃料供給量（通常制御での目標燃料供給量）をＳ２２で求めた補正係数Ｋにより補正し、これによって最終的な燃料供給量を得る（次式参照）。
　燃料供給量＝目標燃料供給量×補正係数Ｋ

　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、燃料供給装置２を介して、燃料供給量の制御がなされる。

　本実施形態によれば、熱式流量計５の計測値と組成非依存流量計６の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定部Ａと、前記異常状態であると判断された場合に、熱式流量計５の計測値に対する換算係数CFを設定する換算係数設定部Ｂと、前記換算係数CFに基づいて、燃料供給装置２によるガス燃料の供給量を調整する供給量調整部Ｃと、を備えることにより、ガス燃料の組成が変化しても、適正な量の燃料の供給が可能となる。

　特に、ガス燃料の供給路に熱式流量計３と直列に配置され、ガス燃料の組成に依存せずに流量を計測可能な組成非依存流量計４を備え、前記計測流量異常判定部Ａは、熱式流量計３の計測値と組成非依存流量計４の計測値とが一定以上乖離することで、異常状態であると判断することにより、異常判定を的確に行うことができる。

　また、本実施形態によれば、前記換算係数設定部Ｂは、組成非依存流量計４の計測値と熱式流量計３の計測値との比に基づいて、換算係数CFを設定することにより、この換算係数CFを用いての流量補正が可能となる。

　また、本実施形態によれば、前記供給量調整部Ｃは、前記換算係数設定部Ｂにて設定された換算係数CFに基づいて、ガス燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定部Ｃ１と、推定された燃料性状に基づいて、ガス燃料の目標供給量を補正する目標供給量補正部Ｃ２と、を含んで構成されるため、ガス燃料の燃料性状の推定に基づく適正な制御が可能となる。

　また、本実施形態によれば、前記燃料性状推定部Ｃ１は、前記換算係数設定部Ｂにて設定された換算係数CFと、ガス燃料の主成分（ＣＨ４）について予め定めた換算係数CF(CH4) との比較結果に応じて、予め定めた副成分候補（Ｃ３Ｈ８、Ｎ２）の中から副成分を特定し、前記換算係数設定部Ｂにて設定された換算係数CFと、前記主成分及び前記特定した副成分について予め定めた換算係数CF(C3H8)又はCF(N2) とに基づいて、前記主成分及び前記特定した副成分のモル分率を求めることにより、実用上十分な推定精度を得ることができる。

　前記副成分候補は、ガス燃料の主成分（メタンＣＨ４）とは熱量の異なる可燃性成分（プロパンＣ３Ｈ８あるいはブタンＣ４Ｈ１０）と、不燃性成分（窒素Ｎ２）とするのが望ましい。

　更に、本実施形態は、特許文献１～３に記載の技術に対し、次のような利点を有する。
（１）特許文献１に対し
　流れが生じる全領域においてガス種を判別できる。また、ガス種の推定も行うため、ガス組成の動的な変化に対応できる。
（２）特許文献２に対し
　換算係数設定部を備えることで、混合ガスの組成を予め取得できない場合においても、換算係数を取得できる。また、換算係数からガス組成を推定できる。
（３）特許文献３に対し
　燃料ガスの供給路に設置された流量計を使用することで、事前に燃料性状の特定を行うことができる。これにより、用途が広がり、調整運転等の必要もなくなる。

　尚、本実施形態では、換算係数CFに基づき燃料性状としてガス成分のモル分率を算出し、これをパラメータとして燃料供給量に対する補正値（補正係数）を算出するようにしたが、燃料性状を表す他のパラメータを用いてもよいし、換算係数CF自体をパラメータとして燃料供給量に対する補正値を算出するようにしてもよい。

　また、本実施形態では、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５～図７により説明する。

　図５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。

　燃料改質装置１１に供給するガス燃料としては、本実施形態では、天然ガス由来の都市ガスが用いられ、燃料供給装置１３により供給される。

　燃料供給装置１３は、ガス燃料供給源に接続された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。
　燃料供給装置１３から燃料改質装置１１へのガス燃料の供給路には、脱硫器１４と、熱式流量計（熱式質量流量計）１５と、組成非依存流量計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。
　脱硫器４は、ガス燃料に含まれる硫黄化合物を脱硫除去する。

　熱式流量計１５、組成非依存流量計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、組成非依存流量計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、組成非依存流量計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。

　燃料改質装置１１での水蒸気改質のための改質水は、改質水供給装置１９により供給される。改質水供給装置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、カソード空気供給装置２０により供給される。カソード空気供給装置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、組成非依存流量計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、燃料供給装置１３、改質水供給装置１９及びカソード空気供給装置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（１）式の水蒸気改質反応がなされ、プロパンＣ３Ｈ８の場合は、下記（２）式の水蒸気改質反応がなされる。
　ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２　　・・・（１）
　Ｃ_３Ｈ_８＋６Ｈ_２Ｏ→３ＣＯ_２＋１０Ｈ_２　　・・・（２）

　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（３）式の電極反応が生起され、アノード極にて、下記（４）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
　カソード極：　１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｏ^２－（固体電解質）　　・・・（３）
　アノード極：　Ｏ^２－（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－　　・・・（４）

　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。
　通常制御では、主に、目標発電条件に従って燃料供給量（目標値）を設定し、燃料供給装置１３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、改質水供給装置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、カソード空気供給装置２０を介してカソード空気の供給量を制御する。

　一方、熱式流量計１５の計測流量異常に対処するため、制御装置２１内には、図６の機能ブロック図に示すように、熱式流量計１５の計測値と組成非依存流量計１６の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定部Ａと、前記異常状態であると判断された場合に、熱式流量計１５の計測値に対する換算係数（コンバージョンファクタ）を設定する換算係数設定部Ｂと、前記換算係数に基づいて、燃料供給装置１３及び改質水供給装置１９によるガス燃料の供給量及び改質水の供給量を調整する供給量調整部Ｃ’とが備えられる。

　計測流量異常判定部Ａは、熱式流量計５の計測値と組成非依存流量計６の計測値とが一定以上乖離することで、異常状態である（熱式流量計５の計測値が実際の流量と異なっている）と判断する。
　換算係数設定部Ｂは、組成非依存流量計６の計測値と熱式流量計５の計測値との比に基づいて、換算係数を設定する。
　供給量調整部Ｃ’は、換算係数設定部Ｂにて設定された換算係数に基づいて、ガス燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定部Ｃ１と、推定された燃料性状と目標発電条件とに基づいて、ガス燃料の目標供給量及び改質水の目標供給量を算出する目標供給量算出部Ｃ２’と、を含んで構成される。

　ここで、計測流量異常判定部Ａの機能を実現するフローチャートは、図３と基本的に同じであり、説明を省略する。換算係数設定部Ｂ及び供給量調整部Ｃ’の機能は図７のフローチャートにより実現される。

　図７は計測流量異常時制御（異常判定時の燃料、改質水及びカソード空気の供給量の制御）のフローチャートである。尚、図７のＳ１１～Ｓ２１は図４のＳ１１～Ｓ２１と基本的に同じであり、同一のステップ符号を付している。
　Ｓ１１では、熱式流量計１５の計測値（熱式流量計値）の積算を開始する。
　Ｓ１２では、組成非依存流量計１６の計測値（組成非依存流量計値）の積算を開始する。
　Ｓ１３では、これらの積算を所定時間実行し、最終的な積算値として、熱式流量計積算値（質量流量）Ｑ１、及び、組成非依存流量計積算値（体積流量）Ｑ２を得る。

　Ｓ１９では、Ｓ１４で求めた換算係数CFと、メタンＣＨ４の換算係数CF(CH4) ＝0.74と、窒素Ｎ２の換算係数CF(N2)＝1.00とから、次式により、メタンＣＨ４のモル分率を算出する。
　ＣＨ４のモル分率＝〔CF(CH4)×CF(N2)／CF－CF(CH4)〕／〔CF(N2)－CF(CH4)〕

　Ｓ１６～Ｓ１８、又はＳ１９～Ｓ２１でのモル分率の計算後は、Ｓ３１へ進む。
　Ｓ３１では、燃料供給量（目標値）を、目標発電条件（掃引直流電流量）と、ガス燃料の組成（メタンＣＨ４のモル分率とプロパンＣ３Ｈ８のモル分率）とから、次式により算出する。
　燃料供給量＝〔セル直列枚数×電流量×６０〕／〔Ｕｆ×Ｆｄ×（ＣＨ４のモル分率×８＋Ｃ３Ｈ８のモル分率×２０）〕×22.414
　ここで、Ｕｆは予め定めた燃料利用率（目標値で、例えば０．８５）、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、「８」はメタンＣＨ４の水蒸気改質反応による水素原子の生成数、「２０」はプロパンＣ３Ｈ８の水蒸気改質反応による水素原子の生成数である（前述の水蒸気改質反応式参照）。

　Ｓ３２では、改質水供給量（目標値）を、燃料供給量と、燃料ガスの組成（メタンＣＨ４のモル分率とプロパンＣ３Ｈ８のモル分率）とから、次式により算出する。
　水供給量＝燃料供給量×（ＣＨ４のモル分率×１＋Ｃ３Ｈ８のモル分率×３）／22.414×Ｓ／Ｃ×18.02
　式中の「１」はメタンＣＨ４の炭素の数、「３」はプロパンＣ３Ｈ８の炭素の数、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 は水蒸気の分子量である。

　Ｓ３３では、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＝〔セル直列枚数×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）。
　尚、ここではカソード空気供給量を目標発電条件から算出したが、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、燃料供給装置１３、改質水供給装置１９及びカソード空気供給装置２０を介して、これらの制御がなされる。

　本実施形態によれば、燃料電池システムにおいて、熱式流量計１５の計測値と組成非依存流量計１６の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定部Ａと、前記異常状態であると判断された場合に、熱式流量計１５の計測値に対する換算係数CFを設定する換算係数設定部Ｂと、前記換算係数CFに基づいて、燃料供給装置１３及び改質水供給装置１９によるガス燃料の供給量及び改質水の供給量を調整する供給量調整部Ｃ’と、を備えることにより、ガス燃料の組成が変化しても、適正な量の燃料と改質水の供給が可能となる。

　また、本実施形態によれば、前記供給量調整部Ｃ’は、前記換算係数設定部Ｂにて設定された換算係数CFに基づいて、ガス燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定部Ｃ１と、推定された燃料性状と目標発電条件とに基づいて、ガス燃料の目標供給量及び改質水の目標供給量を算出する目標供給量算出部Ｃ２’と、を含んで構成されるため、ガス燃料の燃料性状の推定に基づく、ガス燃料及び改質水の適正な制御が可能となる。

　更に、本実施形態は、下記の文献に記載の技術に対しても、次のような利点を有する。
（１）日本国公開特許公報：特開２００６－０４９０５６号
　本技術では、性状（組成や熱量）が変化する燃料が供給される燃料電池システムにおいて、燃料の性状（組成や熱量）及び流量を計測する手段と、燃料電池の状態を判定する手段と、燃料電池の出力を制御する手段とを備え、計測及び判定結果から最適な制御パラメータを演算して、燃料電池の熱自立運転を維持する。
　しかし、燃料の性状（組成や熱量）及び流量を計測する手段を構成するために、例えば熱量についてはカロリーメーター、組成についてはガスクロマトグラフィーの機構を組み合わせる必要があり、装置構成が複雑かつ高価なものになる。
　これに対し、本実施形態では、前記供給量調整部を備えることで、カロリーメーターやガスクロマトグラフィーといった高価な機器を用いることなく、燃料と改質水を適切に供給することができる。
（２）日本国公開特許公報：特開２０１０－２７２２１３号
　本技術では、熱式質量流量計及び差圧計測手段（差圧式の流量計）の計測値に基づいて、燃料電池セルスタックの発電電流及び燃料供給流路を通じて供給される混合ガス（メタンと炭酸ガスとの混合ガス）の流量を制御する。
　しかし、熱式質量流量計の計測値を真値としているため、メタンとは異なる流量を示す組成のガスが混合された場合は、熱式質量流量計が正しい値を示さなくなるので、前提が崩れ、正常な制御が期待できない。
　これに対し、本実施形態では、前記熱式流量計により計測された質量流量を、前記換算係数設定部により補正できるため、メタンと換算係数が一致しない大多数の成分に対して適用が可能である。
（３）日本国公開特許公報：特開２００４－０５９３３７号
　本技術では、体積流量計によって計測される体積流量と質量流量計によって計測される質量流量との比に基づいて燃料ガス密度を測定し、燃料ガス密度から燃料ガスの組成（燃料ガス分子の平均炭素原子数及び平均水素原子数）を求め、水蒸気改質に適切な量の水を供給する。
　しかし、燃料ガスが炭素原子及び水素原子のみを含む想定であるため、不活性ガス（Ｎ２など）が混入している場合や他の元素が含まれる場合には組成の推定ができなくなる。また、質量流量計として熱式流量計を用いる場合は、燃料ガス組成が変動すると正しい値を示さないため、適切な制御ができなくなる。
　これに対し、本実施形態では、前記供給量調整部にて使用する換算係数に適切なガス成分の値を用いることで、不活性ガスが混入している場合や他の元素が含まれる場合においてもガス組成の推定が可能である。また、前記熱式流量計により計測された質量流量を、前記換算係数設定部により補正できるため、ガス組成が変動した場合でも適切な燃料供給を行うことができる。

　尚、上記の実施形態では、ガス燃料を都市ガスとして、ガス燃料の主成分をＣＨ４、副成分候補をプロパンＣ３Ｈ８（あるいはブタンＣ４Ｈ１０）と窒素Ｎ２としたが、これらに限定されるものではない。例えば、ガス燃料は都市ガスの他、ＬＰＧなどであってもよく、ガス燃料の主成分はメタンＣＨ４の他、エタンＣ２Ｈ６、プロパンＣ３Ｈ８などであってもよい。
　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、ガス燃料の変更を自動検出して、制御装置に通知し、制御装置にてガス燃料の変更に対応して制御プログラムを変更するようにしてもよい。
　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。
　しかし、いずれにしても、燃料ガスの主成分と、これとは熱量の異なる可燃成分と、不燃成分の３成分についての換算係数を用いるのが望ましい。

　また、上記実施形態では、熱式流量計３、１５を主たる流量計として使用し、組成非依存流量計４、１６を補助的な流量計として使用すると説明したが、組成非依存流量計４、１６を主たる流量計として使用し、熱式流量計３、１５を補助的な流量計として使用するようにしてもよい。

　また、燃料電池システムの実施形態において、改質反応として部分酸化反応を併用するために、改質用空気の供給装置を備える場合は、供給量調整部Ｃ’にて、改質用空気の供給量を調整するようにしてもよい。
　この場合、改質用空気供給量は、例えば、次式により算出する。
　改質用空気供給量＝燃料供給量×（ＣＨ４のモル分率×１＋Ｃ３Ｈ８のモル分率×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。

　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　燃料供給装置
　３　熱式流量計
　４　組成非依存流量計
　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　燃料供給装置
１４　脱硫器
１５　熱式流量計
１６　組成非依存流量計
１７　燃料温度センサ
１８　燃料圧力センサ
１９　改質水供給装置
２０　カソード空気供給装置
２１　制御装置

Claims

　供給対象に炭化水素系のガス燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置により供給される前記ガス燃料の流量を計測する流量計と、前記流量計の信号が入力されていて前記燃料供給装置の供給量を制御する制御装置と、を含んで構成される、燃料供給システムであって、
　前記流量計としては、熱式流量計と、前記ガス燃料の組成に依存せずに流量を計測可能な組成非依存流量計とを備え、
　前記制御装置は、
　前記熱式流量計の計測値と前記組成非依存流量計の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定部と、
　前記異常状態であると判断された場合に、前記熱式流量計の計測値に対する換算係数を設定する換算係数設定部と、
　前記換算係数に基づいて、前記燃料供給装置による前記ガス燃料の供給量を調整する供給量調整部と、
　を含んで構成される、燃料供給システム。
　前記換算係数設定部は、前記組成非依存流量計の計測値と前記熱式流量計の計測値との比に基づいて、換算係数を設定することを特徴とする、請求項１記載の燃料供給システム。
　前記供給量調整部は、
　前記換算係数設定部にて設定された換算係数に基づいて、前記ガス燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定部と、
　推定された燃料性状に基づいて、前記ガス燃料の目標供給量を補正する目標供給量補正部と、
　を含んで構成されることを特徴とする、請求項２記載の燃料供給システム。
　前記燃料性状推定部は、前記換算係数設定部にて設定された換算係数と、前記ガス燃料の主成分について予め定めた換算係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、前記換算係数設定部にて設定された換算係数と、前記主成分及び前記特定した副成分について予め定めた換算係数とに基づいて、前記主成分及び前記特定した副成分のモル分率を求めることを特徴とする、請求項３記載の燃料供給システム。
　前記副成分候補は、前記ガス燃料の主成分とは熱量の異なる可燃性成分と、不燃性成分とであることを特徴とする、請求項４記載の燃料供給システム。
　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、前記改質装置に前記ガス燃料を供給する燃料供給装置と、前記改質装置に前記水蒸気改質用の水を供給する改質水供給装置と、前記燃料供給装置から前記改質装置へ供給される前記ガス燃料の流量を計測する流量計と、前記流量計の信号が入力されていて前記燃料供給装置及び前記改質水供給装置の各供給量を制御する制御装置と、を含んで構成される、燃料電池システムであって、
　前記流量計としては、熱式流量計と、前記ガス燃料の組成に依存せずに流量を計測可能な組成非依存流量計とを備え、
　前記制御装置は、
　前記熱式流量計の計測値と前記組成非依存流量計の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定部と、
　前記異常状態であると判断された場合に、前記熱式流量計の計測値に対する換算係数を設定する換算係数設定部と、
　前記換算係数に基づいて、前記燃料供給装置及び前記改質水供給装置による前記ガス燃料の供給量及び前記水の供給量を調整する供給量調整部と、
　を含んで構成される、燃料電池システム。
　前記換算係数設定部は、前記組成非依存流量計の計測値と前記熱式流量計の計測値との比に基づいて、換算係数を設定することを特徴とする、請求項６記載の燃料電池システム。
　前記供給量調整部は、
　前記換算係数設定部にて設定された換算係数に基づいて、前記ガス燃料の燃料性状を推定する燃料性状推定部と、
　推定された燃料性状と目標発電条件とに基づいて、前記ガス燃料の目標供給量及び前記水の目標供給量を算出する目標供給量算出部と、
　を含んで構成されることを特徴とする、請求項７記載の燃料電池システム。
　前記燃料性状推定部は、前記換算係数設定部にて設定された換算係数と、前記ガス燃料の主成分について予め定めた換算係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、前記換算係数設定部にて設定された換算係数と、前記主成分及び前記特定した副成分について予め定めた換算係数とに基づいて、前記主成分及び前記特定した副成分のモル分率を求めることを特徴とする、請求項８記載の燃料電池システム。
　前記副成分候補は、前記ガス燃料の主成分とは熱量の異なる可燃性成分と、不燃性成分とであることを特徴とする、請求項９記載の燃料電池システム。
　供給対象に炭化水素系のガス燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置により供給される前記ガス燃料の流量を計測する流量計と、を含んで構成される、燃料供給システムの運転方法であって、
　前記流量計としては、熱式流量計と、前記ガス燃料の組成に依存せずに流量を計測可能な組成非依存流量計とを併用し、
　前記燃料供給装置の供給量を制御するために、
　前記熱式流量計の計測値と前記組成非依存流量計の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定ステップと、
　前記異常状態であると判断された場合に、前記熱式流量計の計測値に対する換算係数を設定する換算係数設定ステップと、
　前記換算係数に基づいて、前記燃料供給装置による前記ガス燃料の供給量を調整する供給量調整ステップと、
　を有する、燃料供給システムの運転方法。
　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、前記改質装置に前記ガス燃料を供給する燃料供給装置と、前記改質装置に前記水蒸気改質用の水を供給する改質水供給装置と、前記燃料供給装置から前記改質装置へ供給される前記ガス燃料の流量を計測する流量計と、を含んで構成される、燃料電池システムの運転方法であって、
　前記流量計としては、熱式流量計と、前記ガス燃料の組成に依存せずに流量を計測可能な組成非依存流量計とを併用し、
　前記燃料供給装置及び前記改質水供給装置の各供給量を制御するために、
　前記熱式流量計の計測値と前記組成非依存流量計の計測値との乖離度合に基づいて異常状態であるか否かを判断する計測流量異常判定ステップと、
　前記異常状態であると判断された場合に、前記熱式流量計の計測値に対する換算係数を設定する換算係数設定ステップと、
　前記換算係数に基づいて、前記燃料供給装置及び前記改質水供給装置による前記ガス燃料の供給量及び前記水の供給量を調整する供給量調整ステップと、
　を有する、燃料電池システムの運転方法。