特開 2022-150868 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022150868

(43)【公開日】2022-10-07

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0444 20160101AFI20220929BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/04082 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220929BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20220929BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0444

H01M8/0438

H01M8/04313

H01M8/04746

H01M8/0612

H01M8/04082

H01M8/04 J

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021053658

(22)【出願日】2021-03-26

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石田 真之

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB23

5H127BA01

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA18

5H127BA33

5H127BA34

5H127BA37

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB18

5H127BB19

5H127BB37

5H127DB76

5H127DB77

5H127DB78

5H127DC83

5H127GG04

5H127GG09

(57)【要約】

【課題】簡易な構成により原燃料ガスの組成を適切に推定してシステムの運転をより安定させる。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、改質部と、ポンプにより原燃料ガス供給路を介して原燃料ガスを改質部へ供給する原燃料ガス供給装置と、原燃料ガス供給路内の圧力を検出する圧力センサを少なくとも含む検出部と、制御装置と、を備える。そして、制御装置は、圧力センサの検出値を含む検出部の検出値に基づく流量関連値に基づいて原燃料ガス供給路を流れる原燃料ガスの質量流量を推定し、質量流量の推定値と流量関連値とに基づいて原燃料ガスの組成を推定し、組成の推定値に基づいて原燃料ガス供給装置から供給する原燃料ガスの供給量を補正する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池スタックと、
原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
原燃料ガス供給路と、該原燃料ガス供給路に設置されたポンプとを含み、前記ポンプにより前記原燃料ガス供給路を介して前記原燃料ガスを前記改質部へ供給する原燃料ガス供給装置と、
前記原燃料ガス供給路に設置され、該原燃料ガス供給路内の圧力を検出する圧力センサを少なくとも含む検出部と、
前記圧力センサの検出値を含む前記検出部の検出値に基づく流量関連値に基づいて前記原燃料ガス供給路を流れる前記原燃料ガスの質量流量を推定し、前記質量流量の推定値と前記流量関連値とに基づいて前記原燃料ガスの組成を推定し、前記組成の推定値に基づいて前記原燃料ガス供給装置から供給する前記原燃料ガスの供給量を補正する制御装置と、
を備える燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記検出部は、前記原燃料ガス供給路における前記ポンプの下流側に設置されている、
燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記流量関連値を前記質量流量の推定値で除算した除算値に基づいて前記原燃料ガスの組成として価数を推定し、前記価数の推定値に基づいて前記原燃料ガスの供給量を補正する、
燃料電池システム。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づく実圧力に対する前記質量流量の推定値に基づいて定まる基準圧力の比と前記除算値とに基づいて前記価数を推定する、
燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１ないし４いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
水を蒸発させて前記改質部へ供給する気化部と、
前記気化部に水を供給する水供給装置を備え、
前記制御装置は、前記原燃料ガスの供給量に応じて前記気化部への水の供給量を制御するものであり、前記流量関連値を前記質量流量の推定値で除算した除算値に基づいて前記原燃料ガスの組成として炭素数を推定し、前記炭素数の推定値に基づいて前記気化部への水の供給量を補正する、
燃料電池システム。

【請求項6】

請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づく実圧力に対する前記質量流量の推定値に基づいて定まる基準圧力の比と前記除算値とに基づいて前記炭素数を推定する、
燃料電池システム。

【請求項7】

請求項１ないし６いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記流量関連値が所定量以上変化したことに基づいて前記原燃料ガスの組成を推定する処理を行なう、
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは燃料電池スタックと改質部とを有する燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池のカソードの入口側に設置されると共に燃料が供給されて燃焼し燃焼熱を改質器に伝達する起動燃焼バーナと、カソードの排気ガスおよび燃料が供給されて燃焼し燃焼熱を改質器に伝達する改質器燃焼バーナと、起動燃焼バーナの排出口に設けられ燃焼ガス中に含まれる酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出手段と、改質器燃焼バーナの排出口に設けられ燃焼ガス中に含まれる酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段と、改質器に供給される燃料の流量（燃料流量）を検出する燃料流量検出手段と、を備え、燃料流量と酸素濃度とに基づいて燃料組成を推定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、燃料電池システムにおいて、ガス燃料の供給路に、熱式流量計と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直列に配置し、熱式流量計の計測値と組成非依存流量計の計測値とをそれぞれ積算し、両者が一定以上乖離した場合に、熱式流量計の計測値に対する換算係数を設定し、換算係数に基づいてガス燃料の組成を推定するものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

【0004】

さらに、燃料電池システムにおいて、改質器から出力される水素含有ガスの経路に流量計を設置し、流量計により検知された水素含有ガスの生成量が減少した場合には、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転し、流量計により検知された水素含有ガスの生成量が増加した場合には、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－２０７０５号公報

【特許文献2】国際公開第２０１３／１１１７７７号

【特許文献3】国際公開第２０１６／６７５８９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１記載の燃料電池システムでは、発電用途以外で燃料が使用されることとなり、システム全体の効率が悪化してしまう。特許文献２記載の燃料電池システムでは、熱式流量計の計測値と組成非依存流量計の計測値とをそれぞれ積算するため、組成変化に対するレスポンスが悪く、制御性に悪影響を及ぼす。また、流量計を２つ必要とし、コスト増も招く。特許文献３記載の燃料電池システムでは、熱量変動（組成変動）は検知できるものの、燃料の組成を定量化することができない。

【0007】

本発明の燃料電池システムは、簡易な構成により原燃料ガスの組成を適切に推定してシステムの運転をより安定させることができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0009】

本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池スタックと、
原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
原燃料ガス供給路と、該原燃料ガス供給路に設置されたポンプとを含み、前記ポンプにより前記原燃料ガス供給路を介して前記原燃料ガスを前記改質部へ供給する原燃料ガス供給装置と、
前記原燃料ガス供給路に設置され、該原燃料ガス供給路内の圧力を検出する圧力センサを少なくとも含む検出部と、
前記圧力センサの検出値を含む前記検出部の検出値に基づく流量関連値に基づいて前記原燃料ガス供給路を流れる前記原燃料ガスの質量流量を推定し、前記質量流量の推定値と前記流量関連値とに基づいて前記原燃料ガスの組成を推定し、前記組成の推定値に基づいて前記原燃料ガス供給装置から供給する前記原燃料ガスの供給量を補正する制御装置と、
を備えることを要旨とする。

【0010】

この本発明の燃料電池システムでは、原燃料ガス供給路内の圧力を検出する圧力センサを少なくとも含む検出部の検出値に基づく流量関連値に基づいて原燃料ガス供給路を流れる原燃料ガスの質量流量を推定し、質量流量の推定値と流量関連値とに基づいて原燃料ガスの組成を推定する。これにより、簡易な構成により原燃料ガスの組成を適切に推定することができる。したがって、原燃料ガスの組成の推定値に基づいて原燃料ガス供給装置から供給する原燃料ガスの供給量を補正することで、燃料電池の発電をより安定させることができる。

【0011】

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記検出部は、前記原燃料ガス供給路における前記ポンプの下流側に設置されてもよい。こうすれば、原燃料ガスの流量関連値をより正確に検出することができる。

【0012】

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記流量関連値を前記質量流量の推定値で除算した除算値に基づいて前記原燃料ガスの組成として価数を推定し、前記価数の推定値に基づいて前記原燃料ガスの供給量を補正してもよい。こうすれば、流量関連値に含まれる原燃料ガスの流量に依存する成分と原燃料ガスの組成に依存する成分とのうち流量に依存する成分を除去することができ、原燃料ガスの価数をより正確に推定することができる。この場合、前記制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づく実圧力に対する前記質量流量の推定値に基づいて定まる基準圧力の比と前記除算値とに基づいて前記価数を推定してもよい。こうすれば、原燃料ガスに不活性ガスが含まれていても、不活性ガスの含有率に応じた価数の補正が可能となり、原燃料ガスの価数をさらに正確に推定することができる。

【0013】

さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、水を蒸発させて前記改質部へ供給する気化部と、前記気化部に水を供給する水供給装置を備え、前記制御装置は、前記原燃料ガスの供給量に応じて前記気化部への水の供給量を制御するものであり、前記流量関連値を前記質量流量の推定値で除算した除算値に基づいて前記原燃料ガスの組成として炭素数を推定し、前記炭素数の推定値に基づいて前記気化部への水の供給量を補正してもよい。こうすれば、流量関連値に含まれる原燃料ガスの流量に依存する成分と原燃料ガスの組成に依存する成分とのうち流量に依存する成分を除去することができ、原燃料ガスの炭素数をより正確に推定することができる。この場合、前記制御装置は、前記圧力センサの検出値に基づく実圧力に対する前記質量流量の推定値に基づいて定まる基準圧力の比と前記除算値とに基づいて前記炭素数を推定してもよい。こうすれば、原燃料ガスに不活性ガスが含まれていても、不活性ガスの含有率に応じた炭素数の補正が可能となり、原燃料ガスの炭素数をさらに正確に推定することができる。

【0014】

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記流量関連値が所定量以上変化したことに基づいて前記原燃料ガスの組成を推定する処理を行なってもよい。こうすれば、原燃料ガスの組成変動を適切に監視して、原燃料ガスの組成を推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。

【図2】流量センサ出力とガス流量との関係を示す説明図である。

【図3】圧力とガス流量との関係を示す説明図である。

【図4】制御装置により実行される運転制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【図5】原燃料ガス中に不活性ガスが含まれている場合と含まれていない場合のそれぞれのＶｆ／Ｆと価数との関係を示す説明図である。

【図6】原燃料ガスに不燃成分が含まれている場合と含まれていない場合のそれぞれのＰ／Ｆと価数との関係を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

【0017】

図１は、本実施形態の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１０は、図示するように、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の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２１を含む発電モジュール２０と、発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０において発生した燃焼排ガスの熱（排熱）を回収する排熱回収装置６０と、システム全体を制御する制御装置７０と、を備える。

【0018】

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、改質器２３を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース２８に収容されている。本実施形態では、発電モジュール２０は、モジュールケース２８内に配置されたマニホールド２４上に設置される。

【0019】

燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有すると共に図１中、左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルを有する。各単セルのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が形成されている。また、各単セルのカソード電極の周囲には、カソードガスを流通させる図示しないカソードガス通路が形成されている。各単セルのアノードガス通路は、マニホールド２４に接続され、各単セルのカソードガス通路は、モジュールケース２８内のエア通路に接続される。

【0020】

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２８内の燃料電池スタック２１の上方に配設される。燃料電池スタック２１と気化器２２および改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部２５が画成されている。各燃焼部２５には、着火ヒータ２６が設置されている。

【0021】

気化器２２は、燃焼部２５からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。

【0022】

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部２５からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、配管やマニホールド２４を介して各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。

【0023】

また、燃料電池スタック２１の各単セルのカソード電極には、モジュールケース２８内に形成されたエア通路を介してカソードガスとしてのエアが供給される。各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルのアノードガス通路やカソードガス通路から上方の燃焼部２５へと流出する。

【0024】

各単セルから燃焼部２５に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルから燃焼部２５に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、着火ヒータ２６により点火させられて燃焼部２５でオフガスが着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼部２５では、未燃燃料や水蒸気を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための燃焼触媒を介して熱交換器６２へ供給される。

【0025】

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に設置された開閉弁３２、ガスポンプ３３および脱硫器３４とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３３を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３４を介して気化器２２へと圧送（供給）される。また、原燃料ガス供給管３１のガスポンプ３３と脱硫器３４との間には、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量（燃料供給量Ｆｇ）を検出する流量センサ３５や、原燃料ガス供給管３１内の圧力を検出する圧力センサ３６、原燃料ガス供給管３１内の温度を検出する温度センサ３７が設置されている。なお、脱硫器３４として常温脱硫式の脱硫器が用いられる場合、これらのセンサの一部または全部は、当該脱硫器３４と発電モジュール２０（気化器２２）との間に設置されてもよい。

【0026】

流量センサ３５は、検出対象の流体の組成に依存性を有する流量計（質量流量計）であり、例えば熱式質量流量計が用いられる。熱式質量流量計は、流体が当該熱式流量計（発熱体）から奪う熱の熱量が当該流体の質量流量と比例することを利用したものであり、検出値（出力電圧）が原燃料ガスの質量流量と比例するため（図２参照）、検出値（出力電圧）に基づいて質量流量を計測することができる。ただし、流体が奪う熱の熱量は流体の組成によって変わり、流量センサ３５の検出値には、質量流量に比例する成分と、原燃料ガスの組成に依存する成分とが含まれる。したがって、流量センサ３５は、原燃料ガスの組成に合わせた設定が必要となる。圧力センサ３６は、本実施形態では、ベルヌーイの定理により原燃料ガスの質量流量が圧力の平方根に比例することを利用して（図３参照）、原燃料ガスの質量流量を推定するのに用いられる。更に、温度センサ３７は、本実施形態では、圧力センサ３６の検出値を温度補正（０℃補正）するのに用いられる。

【0027】

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に設置された改質水ポンプ４３とを有する。改質水ポンプ４３を作動させることで、改質水タンク４２内の改質水は、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。

【0028】

エア供給装置５０は、モジュールケース２８内に形成されたエア通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタと、エア供給管５１に設置されたエアポンプ５３とを有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、モジュールケース２８内のエア通路を経て各燃料電池スタック２１（カソード電極）へと圧送（供給）される。

【0029】

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６１と、発電モジュール２０の燃焼部２５で生成された燃焼排ガスと湯水とを熱交換する熱交換器６２と、貯湯タンク６１と熱交換器６２とを接続する循環配管６３と、循環配管６３に組み込まれた循環ポンプ６４と、を有する。循環ポンプ６４を作動させることで、貯湯タンク６１内に貯留されている湯水は、熱交換器６２へと導入され、熱交換器６２で燃焼排ガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６１へと返送される。

【0030】

また、排熱回収装置６０の熱交換器６２は、配管６５を介して改質水タンク４２と接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク６１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該配管６５を介して改質水タンク４２内へと導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、燃焼排ガス排出管６６に接続されている。これにより、熱交換器６２で燃焼排ガスから水分が除去された排ガスは、燃焼排ガス排出管６６を介して大気中に排出される。

【0031】

制御装置７０は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭを有するマイクロプロセッサとして構成される。制御装置７０には、流量センサ３５や圧力センサ３６、温度センサ３７などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、開閉弁３２のソレノイド、ガスポンプ３３のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ、着火ヒータ２６などへの各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。

【0032】

次に、こうして構成された本実施形態の燃料電池システム１０の発電動作について説明する。

【0033】

本実施形態の燃料電池システム１０では、要求される発電出力に応じた目標電流Ｉｔａｇが燃料電池スタック２１から出力されるように原燃料ガス、改質水およびエア（空気）の供給量を制御することにより発電動作を行なう。原燃料ガスの供給量の制御は、目標電流Ｉｔａｇに基づいて燃料利用率Ｕｆが比較的高い目標利用率Ｕｆｔａｇとなるように次式（１）により目標燃料供給量Fｇｔａｇを設定し、流量センサ３５により検出される燃料供給量Ｆｇが設定した目標燃料供給量Ｆｇｔａｇに一致するようにガスポンプ３３を制御することにより行なわれる。式（１）中、「Ｓ」は燃料電池スタック２１のセル数であり、「２２．４」は０℃、１気圧での１モルの気体の体積であり、「６０」は時間[ｓｅｃ]であり、「Ｖ」はイオン価数であり、「９６４８５」はファラデー定数[Ｃ／ｍｏｌ]である。改質水の供給量の制御は、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣ（原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比）が目標比ＳＣｔａｇとなるように次式（２）により目標水供給量Ｆｗｔａｇを設定し、設定した目標水供給量Ｆｗｔａｇの改質水が供給されるように改質水ポンプ４３を制御することにより行なわれる。式（２）中、「Ｃ」は原燃料ガス中の炭化水素の炭素原子数（炭素数）であり、「２２．４」は０℃、１気圧での１モルの気体（水蒸気）の体積であり、「１８」は水の分子量である。エアの供給量の制御は、エア利用率Ｕａが目標利用率Ｕａｔａｇとなるように目標エア流量Ｆａｔａｇを設定し、設定した目標エア流量Ｆａｔａｇのエアが供給されるようにエアポンプ５３を制御することにより行なわれる。

【0034】

【数1】

【0035】

このように、目標利用率Ｕｆｔａｇに基づいて目標燃料供給量Ｆｇｔａｇを設定して原燃料ガスの供給量を制御する場合において、目標利用率Ｕｆｔａｇをできる限り高くすることで、燃料電池システム１０の発電効率をより向上させることができる。しかし、式（１）および式（２）において、価数Ｖや炭素数Ｃを予め想定された燃料組成により一律に定めると、燃料の熱量変動（組成変動）が生じた際には、燃料利用率Ｕｆやスチームカーボン比ＳＣが大きく変動し、燃料電池システム１０に異常（燃料電池スタック２１の故障）が生じるおそれがある。こうした問題は、熱量バンド制等により燃料の熱量（組成）が断続的に変動し続けている地域において、大きくクローズアップされることとなる。

【0036】

そこで、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料の熱量変動に伴う燃料利用率Ｕｆの変動やスチームカーボン比ＳＣの変動を抑制して燃料電池システム１０の運転を安定化させるために、燃料の熱量変動（組成変動）を監視することとし、熱量変動を検出した際には、変動後の燃料の価数Ｖや炭素数Ｃを推定して目標燃料供給量Ｆｇｔａｇの設定や目標水供給量Ｆｗｔａｇの設定に反映させることとしている。以下、燃料の価数Ｖや炭素数Ｃの推定の詳細について説明する。

【0037】

図４は、制御装置７０により実行される運転制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、燃料電池システム１０が一定の条件で運転（発電）中に所定時間毎に繰り返し実行される。なお、一定の条件には、燃料電池システム１０の発電が安定している状態、例えば燃料電池システム１０が定格出力で発電している状態等を挙げることができる。

【0038】

運転制御ルーチンが実行されると、制御装置７０のＣＰＵは、まず、流量センサ３５により検出される流量（出力電圧）を取得し、取得した流量の移動平均である流量移動平均Ｖｆを流量関連値として算出する（ステップＳ１００）。続いて、圧力センサ３６からの圧力（出力電圧）を取得し、取得した圧力に基づく移動平均である圧力移動平均Ｐを流量関連値として算出する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１００，Ｓ１１０において、流量および圧力の取得は、本実施形態では、流量センサ３５および圧力センサ３６からそれぞれ出力される出力電圧を直接取得することにより行なわれる。また、ステップＳ１１０において、圧力移動平均Ｐの算出は、本実施形態では、圧力センサ３６により検出される圧力を温度センサ３７により検出される温度により０℃換算（０℃補正）し、０℃換算圧力の平方根を算出し、平方根の移動平均を算出することにより行なわれる。なお、精度は若干落ちるものの、０℃補正や平方根の算出を省略し、圧力の移動平均を直接算出するようにしてもよい。また、平方根の算出を省略し、０℃換算圧力の移動平均を算出するようにしてもよい。

【0039】

次に、流量関連値としての流量移動平均Ｖｆが所定量ΔＶｒｅｆ以上変動したか否か、流量関連値としての圧力移動平均Ｐが所定量ΔＰｒｅｆ以上変動したか否かをそれぞれ判定する（ステップＳ１２０）。ここで、所定量ΔＶｒｅｆや所定量ΔＰｒｅｆは、燃料の熱量（組成）に変化が生じたか否かを判定するための閾値であり、予め実験的に求めた値が定められる。流量移動平均Ｖｆが所定量ΔＰｒｅｆ以上変動しておらず、且つ、圧力移動平均Ｐも所定量ΔＰｒｅｆ以上変動していないと判定すると、燃料の熱量変動（組成変動）は生じていないと判断し、これまでの運転制御を継続して（ステップＳ１３０）、運転制御ルーチンを終了する。

【0040】

一方、流量移動平均Ｖｆが所定量ΔＶｒｅｆ以上変動したと判定したり、圧力移動平均Ｐが所定量ΔＰｒｅｆ以上変動したと判定すると、燃料の熱量変動（組成変動）が生じたと判断し、燃料の組成としての価数Ｖおよび炭素数Ｃを推定するために、以下の処理を行なう。すなわち、まず、ステップＳ１００およびＳ１１０で算出した流量移動平均Ｖｆおよび圧力移動平均Ｐに基づいて次式（３）により原燃料ガスの実質量流量Ｆを算出する（ステップＳ１４０）。式（３）中、「ａ」，「ｂ」は係数であり、「ｃ」は定数である。続いて、算出した実質量流量Ｆと流量移動平均Ｖｆおよび圧力移動平均Ｐとに基づいて次式（４）により原燃料ガスの組成に対応した暫定価数Ｖを算出すると共に（ステップＳ１５０）、実質量流量Ｆと流量移動平均Ｖｆおよび圧力移動平均Ｐとに基づいて次式（５）により原燃料ガスの組成に対応した暫定炭素数Ｃを算出する（ステップＳ１６０）。式（４）中、「ｄ」，「ｅ」は係数であり、「ｆ」は定数である。また、式（５）中、「ｇ」，「ｈ」は係数であり、「ｉ」は定数である。上述したように流量センサ３５は検出対象の流体の組成に対して依存性を有するため、ステップＳ１４０により算出される実質量流量Ｆには、原燃料ガスの質量流量に対応する成分と原燃料ガスの組成（価数，炭素数）に対応する成分とが含まれ、当該実質量流量Ｆは、両成分の積によりあらわされる。したがって、原燃料ガスの質量流量に対応する流量移動平均Ｖｆおよび圧力移動平均Ｐをそれぞれ実質量流量Ｆで除算することにより、得られる除算値Ｖｆ／Ｆ，Ｐ／Ｆから原燃料ガスの質量流量による影響を除去することができ、除算値Ｖｆ／Ｆ，Ｐ／Ｆに基づいて原燃料ガスの組成（価数，炭素数）を推定することができる。

【0041】

【数2】

【0042】

次に、実質量流量Ｆ、流量移動平均Ｖｆおよび圧力移動平均Ｐに基づいて次式（６）により圧力係数Ｋを算出する（ステップＳ１７０）。式（６）中、「ｊ」，「ｋ」は係数であり、「ｍ」は定数である。そして、算出した圧力係数ＫとステップＳ１５０で算出した暫定価数Ｖとに基づいて次式（７）により補正後の価数Ｖ’を算出すると共に（ステップＳ１８０）、算出した圧力係数ＫとステップＳ１６０で算出した暫定炭素数Ｃとに基づいて次式（８）により補正後の炭素数Ｃ’を算出する（ステップＳ１９０）。圧力係数Ｋは、原燃料ガス（混合ガス）中に窒素等の不活性ガス（不燃性ガス）が含まれている場合に当該不活性ガスの含有率に応じて暫定価数Ｖや暫定炭素数Ｃを補正するための補正係数であり、実圧力（圧力移動平均Ｐ）に対する原燃料ガスに不活性ガスが含まないものとして換算した基準圧力Ｐ’の比（Ｐ’／Ｐ）として算出される。なお、実圧力（圧力移動平均Ｐ）は、０℃換算圧力の移動平均が用いられてもよい。基準圧力Ｐ’は、式（６）中、分子部分であり、実質量流量Ｆと流量移動平均Ｖｆとに基づいて求められる。原燃料ガスの価数は、図５および図６に示すように、原燃料ガス中に窒素等の不活性ガスが含まれている場合には（図中、一点鎖線参照）、不活性ガスが含まれていない場合（図中、実線参照）に比して、小さくなる。同様に、原燃料ガスの炭素数は、原燃料ガス中に窒素等の不活性ガスが含まれている場合には、不活性ガスが含まれていない場合に比して、小さくなる。更に、こうした原燃料ガスの価数や炭素数は、当該原燃料ガス中の不活性ガスの含有率が高いほど小さくなる。こうした関係を踏まえて、不活性ガスの含有率に対応する圧力係数Ｋを算出し、当該圧力係数Ｋに応じて暫定価数Ｖや暫定炭素数Ｃを補正することにより、より正確な価数Ｖ’や炭素数Ｃ’を推定することができる。

【0043】

【数3】

【0044】

ここで、式（３）－（６）の演算式に用いられる係数ａ，ｂ，ｄ，ｅ，ｇ，ｈ，ｊ，ｋ並びに定数ｃ，ｆ，ｉ，ｍは、任意のパラメータとすることができ、例えば流量移動平均Ｖｆや圧力移動平均Ｐ等を説明変数とし、それぞれ実質量流量Ｆ、暫定価数Ｖ、暫定炭素数Ｃ、圧力係数Ｋを目的変数とした重回帰分析により求めた回帰式により設定することができる。強い相関を示すセンサ出力を説明変数として使用することにより、実質量流量Ｆ等をより正確に推定することができる。なお、回帰手法は任意の手法を用いることができる。

【0045】

こうして価数Ｖ’と炭素数Ｃ’とを算出すると、算出した価数Ｖ’を上述した目標燃料供給量Ｆｇｔａｇを演算するための式（１）の「Ｖ」に代入して、目標燃料供給量Ｆｇｔａｇを算出することにより、燃料供給量を補正する（ステップＳ２００）。更に、算出した炭素数Ｖ’を上述した目標水供給量Ｆｗｔａｇを演算するための式（２）の「Ｃ」に代入して、目標水供給量Ｆｗｔａｇを算出することにより、水供給量を補正して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。

【0046】

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、原燃料ガス供給管３１に設置された圧力センサ３６の検出値に基づく圧力移動平均Ｐ（流量関連値）等に基づいて原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの実質量流量Ｆを推定し、実質量流量Ｆと圧力移動平均Ｐ（流量関連値）等に基づいて原燃料ガスの組成（価数，炭素数）を推定する。これにより、簡易な構成により原燃料ガスの組成を適切に推定することができる。したがって、原燃料ガスの価数に基づいて原燃料ガス供給装置３０から供給する原燃料ガスの供給量を補正することで、原燃料ガスの組成変動に伴う燃料利用率Ｕｆの変動を抑制することができる。また、原燃料ガスの炭素数に基づいて改質水供給装置４０から供給する改質水の供給量を補正することで、原燃料ガスの組成変動に伴うスチームカーボン比ＳＣの変動を抑制することができる。これらの結果、燃料電池システム１０の運転を安定させることができる。

【0047】

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、圧力移動平均Ｐ（流量関連値）を実質量流量Ｆで除算した除算値Ｐ／Ｆ等に基づいて原燃料ガスの価数を推定し、価数の推定値に基づいて原燃料ガスの供給量を補正する。これにより、圧力移動平均Ｐ（流量関連値）等に含まれる原燃料ガスの流量に依存する成分を、実質量流量Ｆによって除去することができ、原燃料ガスの価数をより正確に推定することができる。更に、実圧力（圧力移動平均Ｐ）に対する原燃料ガス中に不活性ガスが含まれない場合の基準圧力Ｐ’の比に基づいて価数を補正する。これにより、原燃料ガスに不活性ガスが含まれていても、不活性ガスの含有率に応じた価数の補正が可能となり、原燃料ガスの価数をさらに正確に推定することができる。

【0048】

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、圧力移動平均Ｐ（流量関連値）を実質量流量Ｆで除算した除算値Ｐ／Ｆ等に基づいて原燃料ガスの炭素数を推定し、炭素数の推定値に基づいて改質水の供給量を補正する。これにより、圧力移動平均Ｐ（流量関連値）等に含まれる原燃料ガスの流量に依存する成分を、実質量流量Ｆによって除去することができ、原燃料ガスの炭素数をより正確に推定することができる。更に、実圧力（圧力移動平均Ｐ）に対する原燃料ガス中に不活性ガスが含まれない場合の基準圧力Ｐ’の比に基づいて炭素数を補正する。これにより、原燃料ガスに不活性ガスが含まれていても、不活性ガスの含有率に応じた炭素数の補正が可能となり、原燃料ガスの炭素数をさらに正確に推定することができる。

【0049】

本実施形態では、原燃料ガスの組成の推定に用いるセンサとして、流量センサ３５と圧力センサ３６と温度センサ３７とを備えるものとしたが、少なくとも圧力センサ３６を備えるものであればよく、流量センサ３５や温度センサ３７を省略してもよい。なお、流量センサ３５を原燃料ガスの組成の推定に用いない場合、ステップＳ１００の処理を省略すると共に、式（３）－（６）において流量移動平均Ｖｆを含む項を省略すればよい。また、原燃料ガスの流量と組成とに依存した検出値を出力するものであれば、例えばＣＯセンサ等の他のセンサを用いてもよい。

【0050】

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック２１が「燃料電池スタック」に相当し、改質器２３が「改質部」に相当し、原燃料ガス供給管３１が「原燃料ガス供給路」に相当し、ガスポンプ３３が「ポンプ」に相当し、原燃料ガス供給装置３０が「原燃料ガス供給装置」に相当し、流量センサ３５と圧力センサ３６と温度センサ３７とが「検出部」に相当し、制御装置７０が「制御装置」に相当する。また、気化器２２が「気化部」に相当し、改質水供給装置４０が「水供給装置」に相当する。なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

【0051】

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0052】

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0053】

１ 原燃料供給源、１０ 燃料電池システム、２０ 発電モジュール、２１ 燃料電池スタック、２２ 気化器、２３ 改質器、２４ マニホールド、２５ 燃焼部、２６ 着火ヒータ、２８ モジュールケース、３０ 原燃料ガス供給装置、３１ 原燃料ガス供給管、３２ 開閉弁、３３ ガスポンプ、３４ 脱硫器、３５ 流量センサ、３６ 圧力センサ、３７ 温度センサ、４０ 改質水供給装置、４１ 改質水供給管、４２ 改質水タンク、４３ 改質水ポンプ、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ エアポンプ、６０ 排熱回収装置、６１ 貯湯タンク、６２ 熱交換器、６３ 循環配管、６４ 循環ポンプ、６５ 配管、６６ 燃焼排ガス排出管、７０ 制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】