燃料供应系统、燃料电池系统以及它们的运转方法

燃料供应系统、燃料电池系统以及它们的运转方法
【专利摘要】一种燃料供应系统，即使气体燃料的组分发生了变化，也会将发热量作为管理值来稳定地供应气体燃料。在气体燃料的供应路径中与热式流量计(3)串联地配置能不依赖于气体燃料的组分地测量流量的不依赖组分式流量计(4)。在热式流量计(3)的测量值与不依赖组分式流量计(4)的测量值乖离了一定程度以上的情况下，判断为异常状态，设定对热式流量计(3)的测量值的换算系数。基于该换算系数，推定气体燃料的组分，基于此来推定气体燃料的发热量。基于该气体燃料的发热量，调整燃料供应装置(2)的气体燃料的供应量，从而得到每单位时间的目标供应发热量。
【专利说明】燃料供应系统、燃料电池系统以及它们的运转方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及包含供应烃系气体燃料的燃料供应装置而构成的燃料供应系统或者 燃料电池系统，特别是，涉及将发热量作为管理值来控制气体燃料的供应量的技术。

【背景技术】
[0002] 在燃料供应系统中，将测量气体燃料的流量的流量计配置于气体燃料的供应路 径，基于测量流量，对燃料的供应量进行反馈控制或者将其用作其它控制的参数。作为上 述流量计，一般使用作为质量流量计的热式流量计。这是因为，热式流量计的小型化是容易 的，另外，在小型的基础上还具有响应性好的特点。
[0003] 但是，由于气体燃料的性状（组分、热量）会变化，因而无法进行满意的控制。特 别是在使用源自天然气的城市燃气的情况下，经常会有以下情况：根据燃气公司的不同，另 外即使燃气公司相同也会根据地域的不同，而有时组分、热量不同，而且根据从供应源起的 路径、距离的不同，有时会因中途的空气的混入等而导致组分不同。这样，当燃料的性状、特 别是组分不同时，热式流量计无法表示准确的值，难以进行合适的控制。
[0004] 另外，专利文献1所述的技术的目的在于，与气体燃料的组分的差别、变化无关 地，将发热量作为管理值来控制气体燃料的供应量，例如使每单位时间的供应发热量（热 量流量）恒定而稳定地供应气体燃料。因此，专利文献1所述的技术根据设置于气体燃料的 供应路径的热式流量计的输出，检测气体燃料的热量流量，将热量流量的控制目标值与检 测值进行比较而控制流量调整阀的工作。该技术利用了以下这一点：对于CH系燃料气体， 与其组分无关地，热式流量计的输出与作为气体燃料的每单位体积的发热量和流速（体积 流量）之积而定义的热量流量处于1对1的关系。
[0005] 现有抟术f献 [0006] 专利f献
[0007] 专利文献1 :日本公开专利公报：特开2009-162436号


【发明内容】

[0008] 发明要解决的问是页
[0009] 然而，专利文献1所述的技术将能够根据热式流量计的输出求出热量流量作为前 提，即使能够应用于气体燃料仅为CH系气体的情况，也无法应用于诸如混入有氮气的情 况。
[0010] 鉴于这种实际情况，本发明的课题在于，提供能够推定燃料性状，并更精确地将发 热量作为管理值来控制气体燃料的供应量的燃料供应系统。
[0011]另外，本发明的课题不仅在于提供通用的燃料供应系统，还在于提供将气体燃料 改性后使用的燃料电池系统。
[0012] 用于解决问题的方案
[0013] 本发明的燃料供应系统包含燃料供应装置、流量计以及控制装置而构成，上述燃 料供应装置向供应对象供应烃系气体燃料，上述流量计测量由上述燃料供应装置供应的上 述气体燃料的流量，上述控制装置被输入上述流量计的信号而控制上述燃料供应装置的供 应量。
[0014] 在此，具备热式流量计和能不依赖于上述气体燃料的组分地测量流量的不依赖组 分式流量计作为上述流量计。
[0015] 上述控制装置包含测量流量异常判定部、换算系数设定部、燃料性状推定部、发热 量推定部以及燃料供应量调整部而构成，上述测量流量异常判定部基于上述热式流量计的 测量值与上述不依赖组分式流量计的测量值的乖离程度来判断是否为异常状态，在判断为 上述异常状态的情况下，上述换算系数设定部设定对上述热式流量计的测量值的换算系 数，上述燃料性状推定部基于上述换算系数，推定上述气体燃料的燃料性状，上述发热量推 定部基于上述气体燃料的燃料性状，推定上述气体燃料的发热量，上述燃料供应量调整部 基于上述气体燃料的发热量，调整上述燃料供应装置的上述气体燃料的供应量，从而得到 每单位时间的目标供应发热量。
[0016] 上述换算系数设定部可以构成为：基于上述不依赖组分式流量计的测量值与上述 热式流量计的测量值之比，设定换算系数。
[0017] 上述燃料性状推定部可以构成为：根据由上述换算系数设定部设定的换算系数与 对上述气体燃料的主成分预先决定的换算系数的比较结果，从预先决定的候选副成分中确 定副成分，基于由上述换算系数设定部设定的换算系数和对上述主成分和上述确定的副成 分预先决定的换算系数，求出上述主成分和上述确定的副成分的摩尔分率。此外，上述候选 副成分可以设为：可燃性成分，其发热量与上述气体燃料的主成分不同；以及不燃性成分。
[0018] 上述发热量推定部可以构成为：根据上述主成分和上述确定的副成分的各发热量 和各摩尔分率，算出上述气体燃料的发热量。
[0019] 上述燃料供应量调整部可以构成为：将每单位时间的目标供应发热量除以上述气 体燃料的发热量，来算出目标燃料供应量。
[0020] 此外，对于燃料供应系统的供应对象没有特别限定，能够用作通用的燃料供应系 统，但本发明也能应用于如下燃料电池系统。
[0021] 即，本发明也能应用于包含燃料改性装置、燃料电池堆、燃料供应装置、流量计以 及控制装置而构成的燃料电池系统，上述燃料改性装置对烃系气体燃料进行水蒸气改性而 生成富氢的改性燃料，上述燃料电池堆通过所生成的改性燃料与空气的电化学反应进行发 电，上述燃料供应装置向上述改性装置供应上述气体燃料，上述流量计测量从上述燃料供 应装置向上述改性装置供应的上述气体燃料的流量，上述控制装置被输入上述流量计的信 号而控制上述燃料供应装置的供应量。
[0022] 发明效果
[0023] 根据本发明，得到如下效果：即使在气体燃料的性状发生了变化的情况下，也能够 推定燃料性状，将发热量作为管理值来精确地控制气体燃料的供应量。

【专利附图】

【附图说明】
[0024] 图1是作为本发明的第1实施方式示出的燃料供应系统的概略构成图。
[0025] 图2是第1实施方式中的控制装置内的功能框图。
[0026] 图3是第1实施方式中的测量流量异常判定的流程图。
[0027] 图4是第1实施方式中的测量流量异常时控制的流程图。
[0028] 图5是作为本发明的第2实施方式示出的燃料电池系统的概略构成图。
[0029] 图6是第2实施方式中的控制装置内的功能框图。
[0030] 图7是第2实施方式中的测量流量异常时控制的流程图。

【具体实施方式】
[0031] 以下，详细说明本发明的实施的方式。
[0032] 首先，作为本发明的第1实施方式，根据图1?图4说明将本发明应用于通用的燃 料供应系统的实施方式。
[0033] 图1是作为本发明的第1实施方式示出的燃料供应系统的概略构成图。
[0034] 本实施方式的燃料供应系统包含向供应对象（各种气体设备）1供应烃系气体燃 料的燃料供应装置2而构成。在本实施方式中，特别设为供应源自天然气的城市燃气作为 气体燃料的燃料供应系统。
[0035] 燃料供应装置2由连接到气体燃料供应源的流量控制阀等构成，基于来自控制装 置7的信号控制供应量。
[0036] 在气体燃料从燃料供应装置2向供应对象1的供应路径中，设置有热式流量计 (热式质量流量计）3、不依赖组分式流量计4、燃料温度传感器5以及燃料压力传感器6。 [0037] 热式流量计3使用气体所具有的热扩散作用进行流量测定，由于根据气体的压缩 程度的不同，传播的热量会发生变化，因而能够测定质量流量。热式流量计3的小型化是容 易的，另外，在小型的基础上还具有响应性好的特点，因此用作主流量计。但是，根据测定对 象的气体的组分的不同，输出会发生变化，因此，一般在确定了测定对象的气体的组分的基 础上调整使用。
[0038] 不依赖组分式流量计4是能够不依赖于测定对象的气体的组分地测定流量的流 量计，例如能够使用容积流量计、超声波流量计、科里奥利流量计、涡街流量计等。不依赖组 分式流量计4用作辅助流量计。此外，可以是体积流量计、质量流量计中的任一种，但在本 实施方式中作为体积流量计进行说明。
[0039] 燃料温度传感器5检测燃料温度Tf。燃料压力传感器6检测燃料压力Pf。
[0040] 这些热式流量计3、不依赖组分式流量计4、燃料温度传感器5以及燃料压力传感 器6的检测信号被送向控制装置7。
[0041] 控制装置7包含微型计算机而构成，根据控制程序进行计算处理，一边读入以热 式流量计3、不依赖组分式流量计4、燃料温度传感器5以及燃料压力传感器6为首的各种 传感器信号，一边控制燃料供应装置2的工作。此外，控制装置7也可以与燃料供应装置2 的控制同时地进行其它各种设备的控制。
[0042] 其次，说明控制装置7进行的燃料供应量的控制。
[0043] 在通常控制中，主要是根据目标供应条件设定目标燃料供应量，通过燃料供应装 置2控制气体燃料的供应量，但一边参照热式流量计3的测量流量，一边进行反馈控制。另 夕卜，热式流量计3的测量流量根据需要还被用作其它控制的参数。
[0044] 另一方面，为了应对热式流量计3的测量流量异常，如图2的功能框图所示，在控 制装置7内具备测量流量异常判定部A、换算系数设定部B、燃料性状推定部C、发热量推定 部D以及燃料供应量调整部E，测量流量异常判定部A基于热式流量计3的测量值与不依 赖组分式流量计4的测量值的乖离程度来判断是否为异常状态，换算系数设定部B在判断 为上述异常状态的情况下，设定对热式流量计3的测量值的换算系数（转换因子），燃料性 状推定部C基于上述换算系数，推定气体燃料的燃料性状，发热量推定部D基于上述气体燃 料的燃料性状，推定气体燃料的发热量（一定单位的燃料完全燃烧时产生的热量），燃料供 应量调整部E基于上述气体燃料的发热量，调整燃料供应装置2的气体燃料的供应量（流 量），从而得到每单位时间的目标供应发热量（热量流量）。
[0045] 测量流量异常判定部A在热式流量计3的测量值与不依赖组分式流量计4的测量 值乖离一定程度以上时，判断为异常状态（热式流量计3的测量值与实际的流量不同）。
[0046] 换算系数设定部B基于不依赖组分式流量计4的测量值与热式流量计3的测量值 之比，设定换算系数。
[0047] 燃料性状推定部C具体是根据由换算系数设定部B设定的换算系数与对气体燃 料的主成分（例如CH4)预先决定的换算系数的比较结果，从预先决定的候选副成分（例 如C3H8和N2)中确定副成分，基于由换算系数设定部B设定的换算系数以及对上述主成分 和上述确定的副成分预先决定的换算系数，求出上述主成分和上述确定的副成分的摩尔分 率。
[0048] 发热量推定部D具体是根据上述主成分和上述确定的副成分的各发热量和各摩 尔分率，算出气体燃料的发热量。
[0049] 燃料供应量调整部E具体是将每单位时间的目标供应发热量除以由发热量推定 部D推定出的气体燃料的发热量，来算出目标燃料供应量。
[0050] 在此，测量流量异常判定部A的功能通过图3的流程图实现，换算系数设定部B、燃 料性状推定部C、发热量推定部D以及燃料供应量调整部E的功能通过图4的流程图实现。
[0051] 图3是测量流量异常判定的流程图。
[0052] 在S1中，开始热式流量计3的测量值（热式流量计值）的累计。
[0053] 在S2中，开始不依赖组分式流量计4的测量值（不依赖组分式流量计值）的累计。
[0054] 在S3中，将这些累计执行规定时间，作为最终的累计值，得到热式流量计累计值 (质量流量）Q1和不依赖组分式流量计累计值（体积流量）Q2。
[0055] 在S4中，将热式流量计累计值（质量流量）Q1变换为正常流量（标准状态的体积 流量）。具体地说，利用下式，算出变换后热式流量计累计值Q1'。
[0056] Q1，=Q1+Y
[0057] S卩，将热式流量计累计值Q1除以比重Y (设计上的气体组分下的标准状态时的比 重），而变换为标准状态下的体积流量（Q1'）。
[0058] 在S5中，将不依赖组分式流量计累计值（体积流量）Q2变换为正常流量。具体地 说，利用下式，算出变换后不依赖组分式流量计累计值Q2'。
[0059] Q2, = Q2X (273. 15+ (273. 15+Tf)) X ((101. 33+Pf) +101. 33)
[0060] 即，使用燃料温度Tf和燃料压力Pf将不依赖组分式流量计累计值（体积流量）Q2 变换为标准（正常）状态下的流量（Q2'）。此外，燃料温度Tf和燃料压力Pf是燃料温度 传感器5和燃料压力传感器6的各检测值。
[0061] 在S6中，判定变换后热式流量计累计值Q1'与变换后不依赖组分式流量计累计值 Q2'是否乖离了一定程度以上。
[0062] 具体地说，判定是否" |Q1' -Q2' |/Q2' >规定值"或者" |Q2' -Ql' |/Q1' >规定 值"。此外，也可以仅判定是否"|Q1'-Q2' | >规定值"。
[0063] 此外，也可以与后述的图4的流程图的S14同样地算出换算系数CF，判定是否"换 算系数CF为规定的上限值以上或者规定的下限值以下"。
[0064] 该判定的结果为"否"的情况下（没有乖离的情况下），前进至S7,实施通常控制。 而另一方面，在"是"的情况下（乖离的情况下），判断为热式流量计5的测量值与实际的流 量不同，前进至S8,转移至测量流量异常时控制（图4的流程）。
[0065] 图4是测量流量异常时控制（异常判定时的燃料供应量的控制）的流程图。
[0066] 在S11中，开始热式流量计3的测量值（热式流量计值）的累计。
[0067] 在S12中，开始不依赖组分式流量计4的测量值（不依赖组分式流量计值）的累 计。
[0068] 在S13中，将这些累计执行规定时间，作为最终的累计值，得到热式流量计累计值 (质量流量）Q1和不依赖组分式流量计累计值（体积流量）Q2。
[0069] 在S14中，利用下式，算出换算系数CF。
[0070] 换算系数 CF =〔Q2X (273. 15+ (273. 15+Tf)) X ((101. 33+Pf) +101. 33)〕/〔 Q1 + γ〕
[0071] 换言之，与图3的流程图的S4、S5同样，算出变换后热式流量计累计值Q1'、变换 后不依赖组分式流量计累计值Q2 '，取它们之比，算出换算系数CF = Q2 ' /Q1'。
[0072] S卩，将热式流量计累计值（质量流量）Q1变换为正常流量（标准状态的体积流 量）。具体地说，利用下式，算出变换后热式流量计累计值Q1'。
[0073] Q1，=Q1+Y
[0074] S卩，将热式流量计累计值Q1除以比重Y (设计上的气体组分下的标准状态时的比 重），而变换为标准状态下的体积流量（Q1'）。
[0075] 另外，将不依赖组分式流量计累计值（体积流量）Q2变换为正常流量。具体地说， 利用下式，算出变换后不依赖组分式流量计累计值Q2'。
[0076] Q2, = Q2X (273. 15+ (273. 15+Tf)) X ((101. 33+Pf) +101. 33)
[0077] S卩，使用燃料温度Tf和燃料压力Pf将不依赖组分式流量计累计值（体积流量）Q2 变换为标准（正常）状态下的流量（Q2'）。此外，燃料温度Tf和燃料压力Pf是燃料温度 传感器5和燃料压力传感器6的各检测值。
[0078] 然后，在这些变换后，取变换后热式流量计累计值Q1'与变换后不依赖组分式流量 计累计值Q2'之比，算出换算系数CF(参照下式）。
[0079] 换算系数 CF = Q2' /Q1'
[0080] 在S15中，判定换算系数CF是否比甲烷CH4的换算系数CF(CH4) = 0. 74小。这 是为了根据判定结果对组分进行近似。
[0081] 在换算系数CF比甲烷CH4的换算系数CF (CH4)小的情况下（CF < CF (CH4)的情 况下），前进至S16?S18。在该情况下，推定为包括甲烷CH4和丙烷C3H8这两种成分，计 算它们的摩尔分率。
[0082] 在S16中，根据S14中求出的换算系数CF、甲烷CH4的换算系数CF(CH4) =0. 74 以及丙烷C3H8的换算系数CF(C3H8) = 0. 34,利用下式，算出甲烷CH4的摩尔分率。
[0083] CH4 的摩尔分率=〔CF (CH4) X CF (C3H8) /CF-CF (CH4)〕/〔CF (C3H8) -CF (CH4)〕
[0084] 此外，该式是如下求出的。
[0085] 换算系数=1/ Σ (成分i的体积分率/成分i的换算系数），
[0086] 若设为CH4和C3H8这两种成分，忽略压缩系数而设为体积分率=摩尔分率，CH4的 摩尔分率设为X，则C3H8的摩尔分率为1-X，因此，
[0087] CF = 1/〔X/CF(CH4) + (1_X)/CF(C3H8)〕
[0088] 对此求解X，从而得到上式。
[0089] 在S17中，根据S16中求出的甲烷CH4的摩尔分率，利用下式算出丙烷C3H8的摩 尔分率。
[0090] C3H8的摩尔分率=1-CH4的摩尔分率
[0091] 在S18中，在上述推定之下，按下式将氮N2的摩尔分率设为0。
[0092] N2的摩尔分率=0
[0093] 在换算系数CF比甲烷CH4的换算系数CF (CH4)大的情况下（CF > CF (CH4)的情 况下），前进至S19?S21。在该情况下，推定为包括甲烷CH4和氮N2这两种成分，计算它 们的摩尔分率。
[0094] 在S19中，根据S14中求出的换算系数CF、甲烷CH4的换算系数CF(CH4) =0. 74 以及氮N2的换算系数CF(N2) = 1.00,利用下式，算出甲烷CH4的摩尔分率。
[0095] CH4 的摩尔分率=〔CF (CH4) X CF (N2) /CF-CF (CH4)〕/〔CF (N2) -CF (CH4)〕
[0096] 此外，该式也是与上述同样地求出的。
[0097] 在S20中，根据S19中求出的甲烷CH4的摩尔分率，利用下式算出氮N2的摩尔分 率。
[0098] N2的摩尔分率=1-CH4的摩尔分率
[0099] 在S21中，在上述推定之下，按下式将丙烷C3H8的摩尔分率设为0。
[0100] C3H8的摩尔分率=0
[0101] 在S16?S18或者S19?S21中的摩尔分率的计算后，前进至S22。
[0102] 在S22中，算出气体燃料的发热量（一定单位的燃料完全燃烧时产生的热量）。具 体地说，根据预先准备的已知的CH4、C3H8的各发热量和在S16?S21中求出的CH4、C3H8 的各摩尔分率，利用下式，算出气体燃料的发热量。
[0103] 气体燃料的发热量
[0104] = CH4的摩尔分率XCH4的发热量+C3H8的摩尔分率XC3H8的发热量
[0105] 在S23中，基于在S22中求出的气体燃料的发热量，算出燃料供应量，从而得到每 单位时间的目标供应发热量。具体地说，将每单位时间的目标供应发热量除以气体燃料的 发热量，来算出燃料供应量。
[0106] 燃料供应量=(每单位时间的目标供应发热量V(发热量）
[0107] 如此算出的燃料供应量被设定为控制上的目标值，通过燃料供应装置2进行燃料 供应量的控制。
[0108] 此外，与燃料供应量的控制同时，为了使该燃料完全燃烧，在进行空气供应量的控 制的情况下，如下进行控制。
[0109] 根据在S23中求出的燃料供应量和气体燃料的组分（甲烷CH4的摩尔分率和丙烷 C3H8的摩尔分率），利用下式算出空气供应量（目标值）。
[0110] 空气供应量=燃料供应量X (CH4的摩尔分率X2+C3H8的摩尔分率X5V(空气 中氧浓度）XA/F
[0111] 式中的"2"为甲烷CH4的完全燃烧（CH4+202 - C02+2H20)所需的氧分子数，"5"为 丙烷C3H8的完全燃烧（C3H 8+502 - 3C02+4H20)所需的氧分子数，A/F为目标空燃比。
[0112] 如此算出的空气供应量被设定为控制上的目标值，使用燃烧用空气供应装置（未 图示）进行空气供应量的控制。
[0113] 这样，在具备燃烧用空气供应装置的情况下，可以具备：燃烧用空气供应量调整 部，其基于由上述燃料供应量调整部E调整后的燃料供应量和由上述燃料性状推定部C推 定出的气体燃料的燃料性状，调整燃烧用空气供应装置的空气的供应量。
[0114] 根据本实施方式，具备测量流量异常判定部A、换算系数设定部B、燃料性状推定 部C、发热量推定部D以及燃料供应量调整部E，测量流量异常判定部A基于热式流量计5 的测量值与不依赖组分式流量计6的测量值的乖离程度来判断是否为异常状态，换算系数 设定部B在判断为上述异常状态的情况下，设定对热式流量计5的测量值的换算系数CF，燃 料性状推定部C基于上述换算系数CF，推定气体燃料的燃料性状，发热量推定部D基于推定 出的燃料性状，推定气体燃料的发热量，燃料供应量调整部E基于推定出的发热量，调整燃 料供应装置2的气体燃料的供应量，从而得到目标供应发热量，由此，即使气体燃料的组分 发生了变化，也能进行以气体燃料的燃料性状的推定为基础的恰当的控制，能将每单位时 间的供应发热量控制为恒定。
[0115] 另外，具备不依赖组分式流量计4,不依赖组分式流量计4与热式流量计3串联地 配置于气体燃料的供应路径，能不依赖于气体燃料的组分地测量流量，上述测量流量异常 判定部A在热式流量计3的测量值与不依赖组分式流量计4的测量值乖离一定程度以上 时，判断为异常状态，从而能够准确地进行异常判定。
[0116] 另外，根据本实施方式，上述换算系数设定部B基于不依赖组分式流量计4的测量 值与热式流量计3的测量值之比，设定换算系数CF，从而能进行使用该换算系数CF的流量 校正。
[0117] 另外，根据本实施方式，上述燃料性状推定部C根据由上述换算系数设定部B设定 的换算系数CF与对气体燃料的主成分（CH4)预先决定的换算系数CF (CH4)的比较结果，从 预先决定的候选副成分（C3H8、N2)中确定副成分，基于由上述换算系数设定部B设定的换 算系数CF和对上述主成分和上述确定的副成分预先决定的换算系数CF (C3H8)或者CF (N2) 求出上述主成分和上述确定的副成分的摩尔分率，从而能够得到在实用上充分的推定精 度。
[0118] 优选上述候选副成分设为：可燃性成分（丙烷C3H8或者丁烷C4H10)，其发热量与 气体燃料的主成分（甲烷CH4)不同；以及不燃性成分（氮N2)。
[0119] 另外，根据本实施方式，上述发热量推定部D根据上述主成分和上述确定的副成 分的各发热量和各摩尔分率，算出气体燃料的发热量，从而能够准确地取得气体燃料的发 热量。
[0120] 另外，根据本实施方式，上述燃料供应量调整部E将每单位时间的目标供应发热 量除以通过推定而得到的气体燃料的发热量，来算出目标燃料供应量，从而能够将每单位 时间的供应发热量控制为恒定。
[0121] 另外，在上述实施方式中，省略了关于燃料供应系统的供应对象（气体设备）的说 明，但对于供应对象没有特别限定，能够用作通用的燃料供应系统。若非要提及用途的话， 则能够举出需要进行空燃比管理的燃烧用途和需要把握原料组分的化学反应用途。作为燃 烧用途的单独例子，能够举出锅炉、气体发动机。气体发动机用于家庭用热电联产系统（由 以城市燃气、LPG为燃料的气体发动机进行发电，并将此时产生的热用于热水供应等的系 统；通称为"EC0WILL( $ =々〃 > )"）、GHP系统（由气体发动机驱动压缩机，通过热泵运 转进行制冷和制热的空调系统）以及工业用的自发电系统等。作为化学反应用途的单独例 子，能够举出合成气体制造装置。合成气体制造装置以天然气、LPG等为原料，使用各种改 性法，制造以H2和C0为主成分的合成气体。制造出的合成气体作为原料气体被用于氨合 成、甲醇合成等。最近，GTL、DME或者SNG等与新能源制造相关的合成气体的需求进一步受 到关注。
[0122] 其次，作为本发明的第2实施方式，根据图5?图7说明将本发明应用于燃料电池 系统的实施方式。
[0123] 图5是作为本发明的第2实施方式示出的燃料电池系统的概略构成图。
[0124] 本实施方式的燃料电池系统包含燃料改性装置11和燃料电池堆（燃料电池单元 的组装体）12而构成，燃料改性装置11对烃系气体燃料进行水蒸气改性而生成富氢的改性 燃料，燃料电池堆12通过来自该燃料改性装置11的改性燃料（氢）与空气（氧）的电化 学反应进行发电。
[0125] 作为供应到燃料改性装置11的气体燃料，在本实施方式中，使用源自天然气的城 市燃气，并由燃料供应装置13供应。
[0126] 燃料供应装置13由连接到气体燃料供应源的流量控制阀等构成，基于来自控制 装置21的信号控制供应量。
[0127] 在气体燃料从燃料供应装置13向燃料改性装置11的供应路径中，设置有脱硫器 14、热式流量计（热式质量流量计）15、不依赖组分式流量计16、燃料温度传感器17以及燃 料压力传感器18。
[0128] 脱硫器14对气体燃料所包含的硫化合物进行脱硫而将其除去。
[0129] 热式流量计15、不依赖组分式流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器 18与第1实施方式（图1)的热式流量计3、不依赖组分式流量计4、燃料温度传感器5以及 燃料压力传感器6相同，省略说明。
[0130] 这些热式流量计15、不依赖组分式流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传 感器18的检测信号被送向控制装置21。
[0131] 用于燃料改性装置11中的水蒸气改性的改性水由改性水供应装置19供应。改性 水供应装置19由连接到水供应源的泵和/或者流量控制阀等构成，基于来自控制装置21 的信号控制供应量。
[0132] 在燃料电池堆12中，来自燃料改性装置11的改性燃料供应到阳极（A)，空气供应 到阴极（C)，但阴极空气是由阴极空气供应装置20供应的。阴极空气供应装置20由连接到 空气供应源的泵（鼓风机）和/或者流量控制阀等构成，基于来自控制装置21的信号控制 供应量。
[0133] 控制装置21包含微型计算机而构成，根据控制程序进行计算处理，一边读入以热 式流量计15、不依赖组分式流量计16、燃料温度传感器17以及燃料压力传感器18为首的 各种传感器信号，一边控制以燃料供应装置13、改性水供应装置19以及阴极空气供应装置 20为首的各种设备的工作。
[0134] 此外，在燃料改性装置11中，在甲烷CH4的情况下，进行下述（1)式的水蒸气改性 反应，在丙烷C3H8的情况下，进行下述（2)式的水蒸气改性反应。
[0135] CH4+2H20 - C02+4H2 · · · (1)
[0136] C3H8+6H20 - 3C02+10H2 · · · (2)
[0137] 另外，在燃料电池堆12中，在各单元的阴极，发生下述（3)式的电极反应，在阳极， 发生下述（4)式的电极反应，从而进行发电。
[0138] 阴极：1/202+2丨一02_(固体电解质）· · ·（3)
[0139] 阳极：02_(固体电解质）+H2 - H20+2e_ · · · (4)
[0140] 其次，说明控制装置21进行的燃料、改性水以及阴极空气的控制。
[0141] 在通常控制中，主要是根据目标发电条件设定燃料供应量（目标值），通过燃料供 应装置13控制气体燃料的供应量，但一边参照热式流量计15的测量流量一边进行反馈控 制。另外，参照热式流量计15的测量流量等设定改性水供应量（目标值），通过改性水供应 装置19控制改性水的供应量。另外，根据目标发电条件或者参照热式流量计15的测量流 量等设定阴极空气供应量（目标值），通过阴极空气供应装置20控制阴极空气的供应量。
[0142] 另一方面，为了应对热式流量计15的测量流量异常，如图6的功能框图所示，在控 制装置21内具备测量流量异常判定部A、换算系数设定部B、燃料性状推定部C、发热量推定 部D以及燃料供应量调整部E，测量流量异常判定部A基于热式流量计15的测量值与不依 赖组分式流量计16的测量值的乖离程度来判断是否为异常状态，换算系数设定部B在判断 为上述异常状态的情况下，设定对热式流量计15的测量值的换算系数（转换因子），燃料性 状推定部C基于上述换算系数，推定气体燃料的燃料性状，发热量推定部D基于上述气体燃 料的燃料性状，推定气体燃料的发热量，燃料供应量调整部E基于上述气体燃料的发热量， 调整燃料供应装置13的气体燃料的供应量，从而得到每单位时间的目标供应发热量。
[0143] 在上述控制装置21内，还具备调整改性水供应装置19的改性水的供应量的改性 水供应量调整部F。
[0144] 测量流量异常判定部A在热式流量计15的测量值与不依赖组分式流量计16的 测量值乖离了一定程度以上时，判断为异常状态（热式流量计5的测量值与实际的流量不 同）。
[0145] 换算系数设定部B基于不依赖组分式流量计16的测量值与热式流量计15的测量 值之比，设定换算系数。
[0146] 燃料性状推定部C具体是根据由换算系数设定部B设定的换算系数与对气体燃 料的主成分（例如CH4)预先决定的换算系数的比较结果，从预先决定的候选副成分（例 如C3H8和N2)中确定副成分，基于由换算系数设定部B设定的换算系数以及对上述主成分 和上述确定的副成分预先决定的换算系数，求出上述主成分和上述确定的副成分的摩尔分 率。
[0147] 发热量推定部D具体是根据上述主成分和上述确定的副成分的各发热量和各摩 尔分率，算出气体燃料的发热量。
[0148] 燃料供应量调整部E具体是将每单位时间的目标供应发热量除以由发热量推定 部D推定出的气体燃料的发热量，来算出目标燃料供应量。
[0149] 改性水供应量调整部F基于由燃料供应量调整部E算出的目标燃料供应量和由燃 料性状推定部C推定出的燃料性状（各成分的摩尔分率），算出作为目标的改性水供应量。
[0150] 在此，实现测量流量异常判定部A的功能的流程图与图3基本相同，省略说明。换 算系数设定部B、燃料性状推定部C、发热量推定部D、燃料供应量调整部E以及改性水供应 量调整部F的功能通过图7的流程图实现。
[0151] 图7是测量流量异常时控制（异常判定时的燃料、改性水以及阴极空气的供应量 的控制）的流程图。此外，图7的S11?S22与图4的S11?S22基本相同，标注相同的步 骤标记。
[0152] 在S11中，开始热式流量计15的测量值（热式流量计值）的累计。
[0153] 在S12中，开始不依赖组分式流量计16的测量值（不依赖组分式流量计值）的累 计。
[0154] 在S13中，将这些累计执行规定时间，作为最终的累计值，得到热式流量计累计值 (质量流量）Q1和不依赖组分式流量计累计值（体积流量）Q2。
[0155] 在S14中，利用下式，算出换算系数CF。
[0156] 换算系数 CF =〔Q2X (273. 15+ (273. 15+Tf)) X ((101. 33+Pf) +101. 33)〕/〔 Q1 + γ〕
[0157] 在S15中，判定换算系数CF是否比甲烷CH4的换算系数CF(CH4) = 0. 74小。这 是为了根据判定结果对组分进行近似。
[0158] 在换算系数CF比甲烷CH4的换算系数CF (CH4)小的情况下（CF < CF (CH4)的情 况下），前进至S16?S18。在该情况下，推定为包括甲烷CH4和丙烷C3H8这两种成分，计 算它们的摩尔分率。
[0159] 在S16中，根据S14中求出的换算系数CF、甲烷CH4的换算系数CF(CH4) =0. 74 以及丙烷C3H8的换算系数CF(C3H8) = 0. 34,利用下式，算出甲烷CH4的摩尔分率。
[0160] CH4 的摩尔分率=〔CF (CH4) X CF (C3H8) /CF-CF (CH4)〕/〔CF (C3H8) -CF (CH4)〕
[0161] 在S17中，根据在S16中求出的甲烷CH4的摩尔分率，利用下式算出丙烷C3H8的 摩尔分率。
[0162] C3H8的摩尔分率=1-CH4的摩尔分率
[0163] 在S18中，在上述推定之下，按下式将氮N2的摩尔分率设为0。
[0164] N2的摩尔分率=0
[0165] 在换算系数CF比甲烷CH4的换算系数CF(CH4)大的情况下（CF > CF(CH4)的情 况下），前进至S19?S21。在该情况下，推定为包括甲烷CH4和氮N2这两种成分，计算它 们的摩尔分率。
[0166] 在S19中，根据S14中求出的换算系数CF、甲烷CH4的换算系数CF(CH4) =0. 74 以及氮N2的换算系数CF(N2) = 1.00,利用下式，算出甲烷CH4的摩尔分率。
[0167] CH4 的摩尔分率=〔CF(CH4) XCF(N2)/CF-CF(CH4)〕/〔CF(N2)-CF(CH4)〕
[0168] 在S20中，根据在S19中求出的甲烷CH4的摩尔分率，利用下式算出氮N2的摩尔 分率。
[0169] N2的摩尔分率=1-CH4的摩尔分率
[0170] 在S21中，在上述推定之下，按下式将丙烷C3H8的摩尔分率设为0。
[0171] C3H8的摩尔分率=0
[0172] 在S16?S18或者S19?S21中计算摩尔分率后，前进至S22。
[0173] 在S22中，算出气体燃料的发热量（一定单位的燃料完全燃烧时产生的热量）。具 体地说，根据预先准备的已知的CH4、C3H8的各发热量和在S16?S21中求出的CH4、C3H8 的各摩尔分率，利用下式，算出气体燃料的发热量。
[0174] 气体燃料的发热量
[0175] = CH4的摩尔分率X CH4的发热量+C3H8的摩尔分率X C3H8的发热量
[0176] 在S23中，基于在S22中求出的气体燃料的发热量，算出燃料供应量，从而得到每 单位时间的目标供应发热量。具体地说，将每单位时间的目标供应发热量除以气体燃料的 发热量，来算出燃料供应量。
[0177] 燃料供应量=(每单位时间的目标供应发热量V(气体燃料的发热量）
[0178] 在S24中，根据在S23中求出的燃料供应量和气体燃料的组分（甲烷CH4的摩尔 分率和丙烷C3H8的摩尔分率），利用下式算出改性水供应量（目标值）。
[0179] 改性水供应量=燃料供应量X (CH4的摩尔分率X 1+C3H8的摩尔分 率 X3)/22. 414XS/CX18. 02
[0180] 式中的"1"为甲烷CH4的碳的数量，"3"为丙烷C3H8的碳的数量，22. 414为摩尔 容积（L/mol)，S/C为水碳比（目标值例如为2. 5)，18. 02为水蒸气的分子量。
[0181] 在S25中，利用下式算出阴极空气供应量（目标值）。
[0182] 空气供应量=〔单元串联个数X电流量X60〕/〔UaXFdX (空气中的02的摩尔 分率 X4)〕X22. 414
[0183] 在此，Ua为预先决定的空气利用率（目标值例如为0.30)，Fd为法拉第常数 (96485. 3399),22. 414为摩尔容积（L/mol)。另外，"4"为通过电极反应而从02生成的电 子的数量（参照上述的电极反应式）。
[0184] 此外，在此，根据目标发电条件算出了阴极空气供应量，但也可以基于燃料供应量 和空燃比算出阴极空气供应量。
[0185] 如此算出的燃料供应量、改性水供应量以及阴极空气供应量分别被设定为控制上 的目标值，通过燃料供应装置13、改性水供应装置19以及阴极空气供应装置20,进行它们 的控制。
[0186] 根据本实施方式，在燃料电池系统中，即使在气体燃料的性状发生了变化的情况 下，也能够推定燃料性状，将发热量作为管理值来精确地控制气体燃料的供应量。特别是， 优选在燃料电池系统的起动准备（升温处理）时、停止处理（降温处理）时，将发热量作为 管理值来控制气体燃料的供应量，能够与气体燃料的性状变化无关地得到希望的发热量。
[0187] 另外，根据本实施方式，还包含改性水供应量调整部F而构成，改性水供应量调整 部F基于由燃料供应量调整部E调整后的燃料供应量和由燃料性状推定部C推定出的气体 燃料的燃料性状，调整改性水供应装置19的改性水的供应量，因此，能够与燃料供应量的 控制相对应地准确地控制改性水的供应量。
[0188] 此外，在上述的实施方式中，气体燃料设为城市燃气，气体燃料的主成分设为CH4， 候选副成分设为丙烷C3H8(或者丁烷C4H10)和氮N2,但不限于这些。例如，气体燃料除了 城市燃气以外还可以是LPG等，气体燃料的主成分除了甲烷CH4以外还可以是乙烷C2H6、丙 烷C3H8等。
[0189] 另外，也可以在气体燃料例如从城市燃气变更为LPG或者从LPG变更为城市燃气 的情况下，自动检测气体燃料的变更，通知控制装置，由控制装置与气体燃料的变更对应地 变更控制程序。
[0190] 另外，即使城市燃气是混入有源自沼气或者源自页岩气的烃类气体的气体或者混 入有石油化工厂中作为副产物产生的废气（不是源自天然气的烃类气体）的气体，也能应 用本发明。
[0191] 但是，不管怎样，优选使用关于燃料气体的主成分、热量与其不同的可燃成分以及 不燃成分这三种成分的换算系数。
[0192] 另外，在上述实施方式中，说明了将热式流量计3用作主流量计，将不依赖组分式 流量计4用作辅助流量计，但也可以将不依赖组分式流量计4用作主流量计，将热式流量计 3用作辅助流量计。
[0193] 另外，在上述实施方式中，基于换算系数CF算出气体成分的摩尔分率作为燃料性 状，并将其作为参数算出对燃料供应量的校正值（校正系数），但也可以使用表示燃料性状 的其它参数，还可以将换算系数CF自身作为参数来算出对燃料供应量的校正值。
[0194] 另外，在燃料电池系统的实施方式中，为了一并使用部分氧化反应作为改性反应， 在具备改性用空气的供应装置的情况下，也可以具备调整改性用空气的供应量的改性空气 供应量调整部。
[0195] 在该情况下，例如，利用下式算出改性用空气供应量。
[0196] 改性用空气供应量=燃料供应量X (CH4的摩尔分率X 1+C3H8的摩尔分率X 3) / (空气中氧浓度）xo/c
[0197] 式中的0/C为氧碳比。
[0198] 另外，在燃料电池系统的实施方式中，在将发热量作为管理值来控制燃料供应量 这一控制有效的系统的起动准备时，气体燃料未成为会发生改性反应、电极反应的温度，因 而使气体燃料在燃烧器中燃烧来使温度上升。
[0199] 在该情况下，例如利用下式算出燃烧用空气的供应量。
[0200] 燃烧用空气供应量=燃料供应量X (CH4的摩尔分率X 2+C3H8的摩尔分率X 5) / (空气中氧浓度）XA/F
[0201] 式中的"2"为甲烷CH4的完全燃烧（CH4+202 - C02+2H20)所需的氧分子数，"5"为 丙烷C3H8的完全燃烧（C3H 8+502 - 3C02+4H20)所需的氧分子数，A/F为目标空燃比。
[0202] 此外，图示的实施方式仅是用于示例本发明的，本发明不仅包含由已说明的实施 方式直接示出的内容，当然还包含本领域技术人员在权利要求范围内所进行的各种改良/ 变更。
[0203] 附图标记说明
[0204] 1供应对象
[0205] 2燃料供应装置
[0206] 3热式流量计
[0207] 4不依赖组分式流量计
[0208] 5燃料温度传感器
[0209] 6燃料压力传感器
[0210] 7控制装置
[0211] 11燃料改性装置
[0212] 12燃料电池堆
[0213] 13燃料供应装置
[0214] 14脱硫器
[0215] 15热式流量计
[0216] 16不依赖组分式流量计
[0217] 17燃料温度传感器
[0218] 18燃料压力传感器
[0219] 19改性水供应装置
[0220] 20阴极空气供应装置
[0221] 21控制装置
【权利要求】
1. 一种燃料供应系统， 包含燃料供应装置、流量计以及控制装置而构成，上述燃料供应装置向供应对象供应 烃系气体燃料，上述流量计测量由上述燃料供应装置供应的上述气体燃料的流量，上述控 制装置被输入上述流量计的信号而控制上述燃料供应装置的供应量，上述燃料供应系统的 特征在于， 具备热式流量计和能不依赖于上述气体燃料的组分地测量流量的不依赖组分式流量 计作为上述流量计， 上述控制装置包含测量流量异常判定部、换算系数设定部、燃料性状推定部、发热量推 定部以及燃料供应量调整部而构成， 上述测量流量异常判定部基于上述热式流量计的测量值与上述不依赖组分式流量计 的测量值的乖离程度来判断是否为异常状态， 在判断为上述异常状态的情况下，上述换算系数设定部设定对上述热式流量计的测量 值的换算系数， 上述燃料性状推定部基于上述换算系数，推定上述气体燃料的燃料性状， 上述发热量推定部基于上述气体燃料的燃料性状，推定上述气体燃料的发热量， 上述燃料供应量调整部基于上述气体燃料的发热量，调整上述燃料供应装置的上述气 体燃料的供应量，从而得到每单位时间的目标供应发热量。
2. 根据权利要求1所述的燃料供应系统，其特征在于， 上述换算系数设定部基于上述不依赖组分式流量计的测量值与上述热式流量计的测 量值之比，设定换算系数。
3. 根据权利要求2所述的燃料供应系统，其特征在于， 上述燃料性状推定部根据由上述换算系数设定部设定的换算系数与对上述气体燃料 的主成分预先决定的换算系数的比较结果，从预先决定的候选副成分中确定副成分，基于 由上述换算系数设定部设定的换算系数和对上述主成分和上述确定的副成分预先决定的 换算系数，求出上述主成分和上述确定的副成分的摩尔分率。
4. 根据权利要求3所述的燃料供应系统，其特征在于， 上述候选副成分为：可燃性成分，其发热量与上述气体燃料的主成分的发热量不同； 以及不燃性成分。
5. 根据权利要求3所述的燃料供应系统，其特征在于， 上述发热量推定部根据上述主成分和上述确定的副成分的各发热量和各摩尔分率，算 出上述气体燃料的发热量。
6. 根据权利要求1所述的燃料供应系统，其特征在于， 上述燃料供应量调整部将每单位时间的目标供应发热量除以上述气体燃料的发热量， 来算出目标燃料供应量。
7. -种燃料电池系统， 包含燃料改性装置、燃料电池堆、燃料供应装置、流量计以及控制装置而构成，上述燃 料改性装置对烃系气体燃料进行水蒸气改性而生成富氢的改性燃料，上述燃料电池堆通过 所生成的改性燃料与空气的电化学反应进行发电，上述燃料供应装置向上述改性装置供应 上述气体燃料，上述流量计测量从上述燃料供应装置向上述改性装置供应的上述气体燃料 的流量，上述控制装置被输入上述流量计的信号而控制上述燃料供应装置的供应量，上述 燃料电池系统的特征在于， 具备热式流量计和能不依赖于上述气体燃料的组分地测量流量的不依赖组分式流量 计作为上述流量计， 上述控制装置包含测量流量异常判定部、换算系数设定部、燃料性状推定部、发热量推 定部以及燃料供应量调整部而构成， 上述测量流量异常判定部基于上述热式流量计的测量值与上述不依赖组分式流量计 的测量值的乖离程度来判断是否为异常状态， 在判断为上述异常状态的情况下，上述换算系数设定部设定对上述热式流量计的测量 值的换算系数， 上述燃料性状推定部基于上述换算系数，推定上述气体燃料的燃料性状， 上述发热量推定部基于上述气体燃料的燃料性状，推定上述气体燃料的发热量， 上述燃料供应量调整部基于上述气体燃料的发热量，调整上述燃料供应装置的上述气 体燃料的供应量，从而得到每单位时间的目标供应发热量。
8. 根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述换算系数设定部基于上述不依赖组分式流量计的测量值与上述热式流量计的测 量值之比，设定换算系数。
9. 根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述燃料性状推定部根据由上述换算系数设定部设定的换算系数与对上述气体燃料 的主成分预先决定的换算系数的比较结果，从预先决定的候选副成分中确定副成分，基于 由上述换算系数设定部设定的换算系数和对上述主成分和上述确定的副成分预先决定的 换算系数，求出上述主成分和上述确定的副成分的摩尔分率。
10. 根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述候选副成分为：可燃性成分，其发热量与上述气体燃料的主成分的发热量不同； 以及不燃性成分。
11. 根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述发热量推定部根据上述主成分和上述确定的副成分的各发热量和各摩尔分率，算 出上述气体燃料的发热量。
12. 根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述燃料供应量调整部将每单位时间的目标供应发热量除以上述气体燃料的发热量， 来算出目标燃料供应量。
13. 根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 还包含向上述燃料改性装置供应用于上述水蒸气改性的水的改性水供应装置而构成， 上述控制装置还包含改性水供应量调整部而构成，上述改性水供应量调整部基于由上 述燃料供应量调整部调整后的燃料供应量和由上述燃料性状推定部推定出的上述气体燃 料的燃料性状，调整上述改性水供应装置的上述水的供应量。
14. 一种燃料供应系统的运转方法， 上述燃料供应系统包含燃料供应装置和流量计而构成，上述燃料供应装置向供应对象 供应烃系气体燃料，上述流量计测量由上述燃料供应装置供应的上述气体燃料的流量，上 述燃料供应系统的运转方法的特征在于， 一并使用热式流量计和能不依赖于上述气体燃料的组分地测量流量的不依赖组分式 流量计作为上述流量计， 为了控制上述燃料供应装置的供应量，具有： 测量流量异常判定步骤，基于上述热式流量计的测量值与上述不依赖组分式流量计的 测量值的乖离程度来判断是否为异常状态； 换算系数设定步骤，在判断为上述异常状态的情况下，设定对上述热式流量计的测量 值的换算系数； 燃料性状推定步骤，基于上述换算系数，推定上述气体燃料的燃料性状； 发热量推定步骤，基于上述气体燃料的燃料性状，推定上述气体燃料的发热量；以及 燃料供应量步骤，基于上述气体燃料的发热量，调整上述燃料供应装置的上述气体燃 料的供应量，从而得到每单位时间的目标供应发热量。
15. -种燃料电池系统的运转方法， 上述燃料电池系统包含燃料改性装置、燃料电池堆、燃料供应装置以及流量计而构成， 上述燃料改性装置对烃系气体燃料进行水蒸气改性而生成富氢的改性燃料，上述燃料电池 堆通过所生成的改性燃料与空气的电化学反应进行发电，上述燃料供应装置向上述改性装 置供应上述气体燃料，上述流量计测量从上述燃料供应装置向上述改性装置供应的上述气 体燃料的流量，上述燃料电池系统的运转方法的特征在于， 一并使用热式流量计和能不依赖于上述气体燃料的组分地测量流量的不依赖组分式 流量计作为上述流量计， 为了控制上述燃料供应装置的燃料供应量，具有： 测量流量异常判定步骤，基于上述热式流量计的测量值与上述不依赖组分式流量计的 测量值的乖离程度来判断是否为异常状态； 换算系数设定步骤，在判断为上述异常状态的情况下，设定对上述热式流量计的测量 值的换算系数； 燃料性状推定步骤，基于上述换算系数，推定上述气体燃料的燃料性状； 发热量推定步骤，基于上述气体燃料的燃料性状，推定上述气体燃料的发热量；以及 燃料供应量调整步骤，基于上述气体燃料的发热量，调整上述燃料供应装置的上述气 体燃料的供应量，从而得到每单位时间的目标供应发热量。
【文档编号】H01M8/06GK104067051SQ201380006295
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年1月23日
【发明者】冢越庄一, 水野康 申请人:吉坤日矿日石能源株式会社