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，也能进行合适的量的气体燃料的供应。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。基于所设定的换算系数，推定气体燃料的组分，基于推定出的组分，校正并控制气体燃料的目标供应量。
【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（城市燃气、LPG等）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] 作为现有技术，有专利文献1?3所述的技术。
[0005] (1)专利文献1
[0006] 在使用了热式流量传感器的涡街流量计中，自动判别在流路内流通的气体种类。 因此，将被测定气体的质量流量与流到发热电阻体的电流值的关联信息按每个气体种类 存储，根据斯特劳哈尔数与气体种类无关而为恒定的流动区域中的质量流量及此时的电流 值，基于上述关联信息，判别被测定气体的种类。判别后，基于气体种类所特有的校正系数 校正质量流量，由此，能高精度地检测质量流量。
[0007] ⑵专利文献2
[0008] 在混合多个容器的气体进行供应的情况下，根据各个容器的重量减少量测定所混 合的气体的流量，预先计算混合气体的组分，由此，取得对热式流量计的换算系数，从而能 进行混合气体的质量流量的精密测定。
[0009] (3)专利文献3
[0010] 作成表示未知组分的燃料的性状的特性图，将由该特性图示出的未知组分的燃料 的特性曲线与已知组分的燃料的特性曲线进行比较，确定未知的燃料的组分。作为燃料的 性状，使用空气比与排放气体氧浓度的特性即排气A/F相对于吸气A/F的关系。
[0011] 现有抟术f献
[0012] 专利f献
[0013] 专利文献1 :日本公开专利公报：特开2011-203075号
[0014] 专利文献2 :日本公开专利公报：特开2007-024511号
[0015] 专利文献3 :日本公开专利公报：特开2004-011487号


【发明内容】

[0016] 发明要解决的问是页 [0017] 然而，现有技术有如下问题。
[0018] (1)专利文献1
[0019] 仅能够在斯特劳哈尔数为恒定的流动区域中判别气体种类。另外，仅能够判别已 预先存储有信息的气体种类，因此，无法对应气体组分的动态变化。
[0020] ⑵专利文献2
[0021] 需要预先取得混合气体的组分，在无法取得组分的情况下，无法对应。
[0022] (3)专利文献3
[0023] 为了确定燃料组分而需要使燃料反应（燃烧）一次，不仅是只能用于燃烧等用途， 还无法在运转开始前把握燃料组分。另外，为了取得用于确定燃料组分的数据而需要使A/ F摆动，有可能成为如下状况：不得不从调整不当的状态开始运转。
[0024] 本发明是鉴于这种实际情况而完成的，虽然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，但当燃料的性状、特别是组分不同时，无法表示准 确的值，难以进行合适的控制，因此，本发明的课题在于，提供即使在燃料的性状发生了变 化的情况下也能够进行合适的控制的燃料供应系统。
[0025] 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。
[0026] 用于解决问题的方案
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 上述控制装置包含测量流量异常判定部、换算系数设定部以及供应量调整部而构 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（转换因子；conversion factor),上 述供应量调整部基于上述换算系数，调整上述燃料供应装置的上述气体燃料的供应量。
[0030] 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。
[0031] 上述供应量调整部可以包含燃料性状推定部和目标供应量校正部而构成，上述燃 料性状推定部基于由上述换算系数设定部设定的换算系数，推定上述气体燃料的燃料性 状，上述目标供应量校正部基于推定出的燃料性状，校正上述气体燃料的目标供应量。
[0032] 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。
[0033] 上述候选副成分可以为：可燃性成分，其热量与上述气体燃料的主成分不同；以 及不燃性成分。
[0034] 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。
[0035] S卩，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、改性水供 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，上述改性水 供应装置向上述改性装置供应用于上述水蒸气改性的水，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和上述改性水供应装置的各供应量。
[0036] 该情况下的上述供应量调整部基于上述换算系数，调整上述燃料供应装置和上述 改性水供应装置的上述气体燃料的供应量和上述水的供应量。
[0037] 因此，该情况下的上述供应量调整部可以包含燃料性状推定部和目标供应量算出 部而构成，上述燃料性状推定部基于由上述换算系数设定部设定的换算系数，推定上述气 体燃料的燃料性状，上述目标供应量算出部基于推定出的燃料性状和目标发电条件，算出 上述气体燃料的目标供应量和上述水的目标供应量。
[0038] 发明效果
[0039] 根据本发明，即使在气体燃料的性状发生了变化的情况下，也起到能进行合适的 燃料供应的效果。
[0040] 另外，在被供应多样的组分的燃料的燃料电池系统中，起到无需设置复杂且昂贵 的构成的设备就能进行恰当的量的燃料和改性水的供应。

【专利附图】

【附图说明】
[0041] 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。
[0042] 图2是第1实施方式中的控制装置内的功能框图。
[0043] 图3是第1实施方式中的测量流量异常判定的流程图。
[0044] 图4是第1实施方式中的测量流量异常时控制的流程图。
[0045] 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。
[0046] 图6是第2实施方式中的控制装置内的功能框图。
[0047] 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】
[0048] 以下，详细说明本发明的实施的方式。
[0049] 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。
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052] 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。
[0053] 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。
[0054] 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。
[0055] 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。
[0056] 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。
[0057] 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。
[0058] 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。
[0059] 其次，说明控制装置7进行的燃料供应量的控制。
[0060] 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。
[0061] 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以及供应量调整部C，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），供应量调整部C基于上述换算系数，调整燃料供 应装置2的气体燃料的供应量。
[0062] 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）。
[0063] 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。
[0064] 供应量调整部C包含燃料性状推定部C1和目标供应量校正部C2而构成，燃料性 状推定部C1基于由换算系数设定部B设定的换算系数，推定气体燃料的燃料性状，目标供 应量校正部C2基于推定出的燃料性状，校正气体燃料的目标供应量。
[0065] 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和 供应量调整部C的功能通过图4的流程图实现。
[0066] 图3是测量流量异常判定的流程图。
[0067] 在S1中，开始热式流量计3的测量值（热式流量计值）的累计。
[0068] 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。
[0069] 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。
[0070] 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'。
[0071] 变换后热式流量计累计值Ql' = Q1+ Y
[0072] 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'）。
[0073] 在S5中，对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'。
[0074] 变换后不依赖组分式流量计累计值Q2' =
[0075] Q2X (273. 15+ (273. 15+Tf)) X ((101. 33+Pf) +101. 33)
[0076] 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。
[0077] 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。
[0078] 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"。
[0079] 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"。
[0080] 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）。
[0081] 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。
[0082] 在S11中，开始热式流量计3的测量值（热式流量计值）的累计。
[0083] 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。
[0084] 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。
[0085] 在S14中，利用下式，算出换算系数CF。
[0086] 换算系数 CF =〔Q2X (273. 15+ (273. 15+Tf)) X ((101. 33+Pf) +101. 33)〕/〔 Q1 + γ〕
[0087] 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'。
[0088] 即，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'。
[0089] 变换后热式流量计累计值Ql' = Q1 + γ
[0090] 即，将热式流量计累计值Q1除以比重Υ (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'）。
[0091] 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'。
[0092] 变换后不依赖组分式流量计累计值Q2' =
[0093] Q2X (273. 15+ (273. 15+Tf)) X ((101. 33+Pf) +101. 33)
[0094] 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。
[0095] 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）。
[0096] 换算系数 CF = Q2' /Q1'
[0097] 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。
[0098] 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。
[0099] 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。
[0100] CH4 的摩尔分率=〔CF(CH4) XCF(C3H8)/CF-CF(CH4)〕/〔CF(C3H8)-CF(CH4)〕
[0101] 此外，该式是按如下求出的。
[0102] 换算系数=1/Σ (成分i的体积分率/成分i的换算系数），
[0103] 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，
[0104] CF = 1/〔X/CF(CH4) + (1-X)/CF(C3H8)〕
[0105] 对此求解X，从而得到上式。
[0106] 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。
[0107] C3H8的摩尔分率=1-CH4的摩尔分率
[0108] 在S18中，在上述推定之下，按下式将氮N2的摩尔分率设为0。
[0109] N2的摩尔分率=0
[0110] 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。
[0111] 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。
[0112] CH4 的摩尔分率=〔CF (CH4) X CF (N2) /CF-CF (CH4)〕/〔CF (N2) -CF (CH4)〕
[0113] 此外，该式也是与上述同样地求出的。
[0114] 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。
[0115] N2的摩尔分率=1-CH4的摩尔分率
[0116] 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。
[0117] C3H8的摩尔分率=0
[0118] 在计算S16?S18或者S19?S21中的摩尔分率后，前进至S22。
[0119] 在S22中，基于以上述方式推定出的气体燃料的组分（甲烷CH4的摩尔分率和丙 烷C3H8的摩尔分率），使用预先决定的函数f，算出对燃料供应量的校正系数K(参照下 式）。
[0120] 校正系数K = f (CH4的摩尔分率，C3H8的摩尔分率）
[0121] 此外，实际的甲烷CH4和丙烷C3H8的各摩尔分率（推定值）也可以看作相对于设 计上的气体组分下的甲烷CH4和丙烷C3H8的各摩尔分率（设计值）的偏差。
[0122] 在S23中，根据S22中求出的校正系数K对基于目标供应条件的目标燃料供应量 (通常控制下的目标燃料供应量）进行校正，由此，得到最终的燃料供应量（参照下式）。
[0123] 燃料供应量=目标燃料供应量X校正系数K
[0124] 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。
[0125] 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以及供应量调整 部C，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，供应量调整部C基于上述换算系数CF，调整 燃料供应装置2的气体燃料的供应量，由此，即使气体燃料的组分发生了变化，也能进行恰 当的量的燃料的供应。
[0126] 特别是，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。
[0127] 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。
[0128] 另外，根据本实施方式，上述供应量调整部C包含燃料性状推定部C1和目标供应 量校正部C2而构成，燃料性状推定部C1基于由上述换算系数设定部B设定的换算系数CF， 推定气体燃料的燃料性状，目标供应量校正部C2基于推定出的燃料性状，校正气体燃料的 目标供应量，因此，能够进行以气体燃料的燃料性状的推定为基础的恰当的控制。
[0129] 另外，根据本实施方式，上述燃料性状推定部C1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。
[0130] 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)。
[0131] 而且，本实施方式相对于专利文献1?3所述的技术，具有如下优点。
[0132] (1)相对于专利文献1
[0133] 能够在流动发生的所有区域中判别气体种类。另外，还进行气体种类的推定，因 此，能够对应气体组分的动态变化。
[0134] (2)相对于专利文献2
[0135] 由于具备换算系数设定部，因此，即使在无法预先取得混合气体的组分的情况下， 也能够取得换算系数。另外，能够根据换算系数推定气体组分。
[0136] (3)相对于专利文献3
[0137] 通过使用设置于燃料气体的供应路径的流量计，能够事先进行燃料性状的确定。 由此，用途会扩大，且不需要调整运转等。
[0138] 此外，在本实施方式中，基于换算系数CF算出作为燃料性状的气体成分的摩尔分 率，并将其作为参数算出了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。
[0139] 另外，在本实施方式中，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。
[0140] 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。
[0141] 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。
[0142] 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。
[0143] 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。
[0144] 燃料供应装置13包括连接到气体燃料供应源的流量控制阀等，基于来自控制装 置21的信号控制供应量。
[0145] 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。
[0146] 脱硫器4对气体燃料所包含的硫化合物进行脱硫而将其除去。
[0147] 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。
[0148] 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。
[0149] 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包括连接到水供应源的泵和/或者流量控制阀等，基于来自控制装置21的 信号控制供应量。
[0150] 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包括连接 到空气供应源的泵（鼓风机）和/或者流量控制阀等，基于来自控制装置21的信号控制供 应量。
[0151] 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，一边读入包括 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在内 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。
[0152] 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。
[0153] CH4+2H20 - C02+4H2 · · · (1)
[0154] C3H8+6H20 - 3C02+10H2 · · · (2)
[0155] 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。
[0156] 阴极：l/202+2e- -Ο2-(固体电解质）· · ·（3)
[0157] 阳极：021 固体电解质）+H2 - H20+2e、· ·（4)
[0158] 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。
[0159] 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。
[0160] 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以及供应量调整部C'，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），供应量调整部C'基于上述换算系数，调整 燃料供应装置13的气体燃料的供应量和改性水供应装置19的改性水的供应量。
[0161] 测量流量异常判定部A在热式流量计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）。
[0162] 换算系数设定部B基于不依赖组分式流量计6的测量值与热式流量计5的测量值 之比，设定换算系数。
[0163] 供应量调整部C'包含燃料性状推定部C1和目标供应量算出部C2'而构成，燃料 性状推定部C1基于由换算系数设定部B设定的换算系数，推定气体燃料的燃料性状，目标 供应量算出部C2'基于推定出的燃料性状和目标发电条件，算出气体燃料的目标供应量和 改性水的目标供应量。
[0164] 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和供应量调整部C'的功能通过图7的流程图实现。
[0165] 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?S21与图4的S11?S21基本相同，标注相同的步 骤标记。
[0166] 在S11中，开始热式流量计15的测量值（热式流量计值）的累计。
[0167] 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。
[0168] 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。
[0169] 在S14中，利用下式，算出换算系数CF。
[0170] 换算系数 CF =〔Q2X (273. 15+ (273. 15+Tf)) X ((101. 33+Pf) +101. 33)〕/〔 Q1 + γ〕
[0171] 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。
[0172] 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。
[0173] 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。
[0174] CH4 的摩尔分率=〔CF (CH4) X CF (C3H8) /CF-CF (CH4)〕/〔CF (C3H8) -CF (CH4)〕
[0175] 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。
[0176] C3H8的摩尔分率=1-CH4的摩尔分率
[0177] 在S18中，在上述推定之下，按下式将氮N2的摩尔分率设为0。
[0178] N2的摩尔分率=0
[0179] 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。
[0180] 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。
[0181] CH4 的摩尔分率=〔CF(CH4) XCF(N2)/CF-CF(CH4)〕/〔CF(N2)-CF(CH4)〕
[0182] 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。
[0183] N2的摩尔分率=1-CH4的摩尔分率
[0184] 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。
[0185] C3H8的摩尔分率=0
[0186] 在S16?S18或者S19?S21中的摩尔分率计算后，前进至S31。
[0187] 在S31中，根据目标发电条件（扫描直流电流量）、气体燃料的组分（甲烷CH4的 摩尔分率和丙烷C3H8的摩尔分率），利用下式算出燃料供应量（目标值）。
[0188] 燃料供应量=〔单元串联个数X电流量X60〕/〔UfXFdX (CH4的摩尔分 率 X8+C3H8 的摩尔分率 X20)〕X22. 414
[0189] 在此，Uf为预先决定的燃料利用率（目标值例如为0.85)，Fd为法拉第常数 (96485. 3399),22. 414为摩尔容积（L/mol)。另外，"8"为甲烷CH4的水蒸气改性反应生成 的氢原子的数量，"20"为丙烷C3H8的水蒸气改性反应生成的氢原子的数量（参照上述的 水蒸气改性反应式）。
[0190] 在S32中，根据燃料供应量和燃料气体的组分（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）。
[0191] 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
[0192] 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。
[0193] 在S33中，利用下式算出阴极空气供应量（目标值）。
[0194] 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
[0195] 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"为由于电极反应而从02生成的电 子的数量（参照上述的电极反应式）。
[0196] 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。
[0197] 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。
[0198] 根据本实施方式，在燃料电池系统中具备测量流量异常判定部A、换算系数设定部 B以及供应量调整部C'，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CF，供应量调整部C'基于上 述换算系数CF，调整燃料供应装置13的气体燃料的供应量和改性水供应装置19的改性水 的供应量，由此，即使气体燃料的组分发生了变化，也能进行恰当的量的燃料和改性水的供 应。
[0199] 另外，根据本实施方式，上述供应量调整部C'包含燃料性状推定部Cl和目标供应 量算出部C2'而构成，燃料性状推定部C1基于由上述换算系数设定部B设定的换算系数 CF，推定气体燃料的燃料性状，目标供应量算出部C2'基于推定出的燃料性状和目标发电条 件，算出气体燃料的目标供应量和改性水的目标供应量，因此，能进行以气体燃料的燃料性 状的推定为基础的气体燃料和改性水的恰当的控制。
[0200] 而且，本实施方式相对于下述的文献所述的技术，还具有如下优点。
[0201] (1)日本公开专利公报：特开2006-049056号
[0202] 在本技术中，在被供应性状（组分、热量）会变化的燃料的燃料电池系统中，具备 测量燃料的性状（组分、热量）和流量的机构、判定燃料电池的状态的机构以及控制燃料电 池的输出的机构，根据测量和判定结果计算出最佳的控制参数，维持燃料电池的热自立运 转。
[0203] 但是，为了构成测量燃料的性状（组分、热量）和流量的机构，例如关于热量需要 组合量热仪，关于组分需要组合气相色谱仪这样的机构，装置构成变得复杂且昂贵。
[0204] 而另一方面，在本实施方式中，由于具备上述供应量调整部，因此无需使用量热 仪、气相色谱仪这样的昂贵设备，能够合适地供应燃料和改性水。
[0205] (2)日本公开专利公报：特开2010-272213号
[0206] 在本技术中，基于热式质量流量计和差压测量机构（差压式流量计）的测量值，控 制燃料电池单元堆的发电电流和通过燃料供应流路供应的混合气体（甲烷与二氧化碳的 混合气体）的流量。
[0207] 但是，由于以热式质量流量计的测量值为真值，因此，在混合了示出与甲烷不同的 流量的组分的气体的情况下，热式质量流量计无法表示准确的值，从而，前提出现问题，无 法期待正常的控制。
[0208] 而另一方面，在本实施方式中，能够由上述换算系数设定部校正由上述热式流量 计测出的质量流量，因此，能够应用于换算系数与甲烷一致的大多数的成分。
[0209] (3)日本公开专利公报：特开2004-059337号
[0210] 在本技术中，基于由体积流量计测量的体积流量和由质量流量计测量的质量流量 之比来测定燃料气体密度，根据燃料气体密度求出燃料气体的组分（燃料气体分子的平均 碳原子数和平均氢原子数），对水蒸气改性供应合适的量的水。
[0211] 但是，由于燃料气体被设想为仅包含碳原子和氢原子，因此，在混入有惰性气体 (N2等）的情况下、包含其它元素的情况下，无法推定组分。另外，在使用热式流量计作为质 量流量计的情况下，由于当燃料气体组分变动时无法表示准确的值，因此无法进行合适的 控制。
[0212] 而另一方面，在本实施方式中，通过使用对上述供应量调整部中使用的换算系数 来说合适的气体成分的值，即使在混入了惰性气体的情况下、包含其它元素的情况下，也能 推定气体组分。另外，能够由上述换算系数设定部校正由上述热式流量计测出的质量流量， 因此，在气体组分发生了变动的情况下也能够进行合适的燃料供应。
[0213] 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。
[0214] 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。
[0215] 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。
[0216] 但是，不管怎样，优选使用燃料气体的主成分、热量与其不同的可燃成分以及不燃 成分这三种成分所涉及的换算系数。
[0217] 另外，在上述实施方式中，说明了将热式流量计3、15用作主流量计，将不依赖组 分式流量计4、16用作辅助流量计，但也可以将不依赖组分式流量计4、16用作主流量计，将 热式流量计3、15用作辅助流量计。
[0218] 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，也可以由供应量调整部C'调整改性用空气的供应 量。
[0219] 在该情况下，例如，利用下式算出改性用空气供应量。
[0220] 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
[0221] 式中的0/C为氧碳比。
[0222] 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，当然也包含本领域技术人员在权利要求的范围内进行的各种改良/ 变更。
[0223] 附图标记说明
[0224] 1供应对象
[0225] 2燃料供应装置
[0226] 3热式流量计
[0227] 4不依赖组分式流量计
[0228] 5燃料温度传感器
[0229] 6燃料压力传感器
[0230] 7控制装置
[0231] 11燃料改性装置
[0232] 12燃料电池堆
[0233] 13燃料供应装置
[0234] 14脱硫器
[0235] 15热式流量计
[0236] 16不依赖组分式流量计
[0237] 17燃料温度传感器
[0238] 18燃料压力传感器
[0239] 19改性水供应装置
[0240] 20阴极空气供应装置
[0241] 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、换算系数设定部以及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， 上述供应量调整部基于上述换算系数，调整上述燃料供应装置的上述气体燃料的供应 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， 上述供应量调整部包含燃料性状推定部和目标供应量校正部而构成， 上述燃料性状推定部基于由上述换算系数设定部设定的换算系数，推定上述气体燃料 的燃料性状， 上述目标供应量校正部基于推定出的燃料性状，校正上述气体燃料的目标供应量。
4. 根据权利要求3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。
5. 根据权利要求4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，其热量与上述气体燃料的主成分不同；以及不燃性 成分。
6. -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、改性水供应装置、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，上述改性水供应装置向上述改性装置供应用于上述水蒸 气改性的水，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和上述改性水供应 装置的各供应量，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、换算系数设定部以及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， 上述供应量调整部基于上述换算系数，调整上述燃料供应装置和上述改性水供应装置 的上述气体燃料的供应量和上述水的供应量。
7. 根据权利要求6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。
8. 根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述供应量调整部包含燃料性状推定部和目标供应量算出部而构成， 上述燃料性状推定部基于由上述换算系数设定部设定的换算系数，推定上述气体燃料 的燃料性状， 上述目标供应量算出部基于推定出的燃料性状和目标发电条件，算出上述气体燃料的 目标供应量和上述水的目标供应量。
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，其热量与上述气体燃料的主成分不同；以及不燃性 成分。
11. 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；以及 供应量调整步骤，基于上述换算系数，调整上述燃料供应装置的上述气体燃料的供应 量。
12. -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、改性水供应装置以 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，上述改性水供应装置向上述改性装置供应用于上 述水蒸气改性的水，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和上述改性水供应装置的各供应量，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；以及 供应量调整步骤，基于上述换算系数，调整上述燃料供应装置和上述改性水供应装置 的上述气体燃料的供应量和上述水的供应量。
【文档编号】G01F1/00GK104067052SQ201380006298
【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