燃料電池システム
【課題】バイオガスのガス組成・熱量が変動してもその変動組成を正確に計測してシステムを稼働制御することができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】原燃料ガスを改質するための改質器４と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための燃料電池セルスタック６と、改質器に燃料ガスを供給するための燃料供給流路８と、を備えた燃料電池システムであり、原燃料ガスとしてメタン及び炭酸ガスの混合ガスが用いられ、燃料供給流路には熱式質量流量計５２及び差圧測定手段５４が配設され、熱式質量流量計及び差圧計測手段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して供給される混合ガスの流量が制御される。
【解決手段】原燃料ガスを改質するための改質器４と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための燃料電池セルスタック６と、改質器に燃料ガスを供給するための燃料供給流路８と、を備えた燃料電池システムであり、原燃料ガスとしてメタン及び炭酸ガスの混合ガスが用いられ、燃料供給流路には熱式質量流量計５２及び差圧測定手段５４が配設され、熱式質量流量計及び差圧計測手段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して供給される混合ガスの流量が制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを改質した改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオガス（例えば、メタン発酵ガス、消化ガス）を原燃料ガスとして用いる燃料電池システムは、炭酸ガスの排出抑制の観点から将来的に有望な技術である。このバイオガスとしてのメタン発酵ガスは、例えば有機廃棄物をメタン発酵処理するためのメタン発酵槽で生成される。このメタン発酵ガスは、メタンと炭酸ガスとの混合ガスであるが、メタン発酵槽内でのメタン発酵状態により組成（メタンの濃度）及び熱量が変動するという特徴を有する。
【０００３】
近年、燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムは、従来の発電システムに比して小規模でも高発電効率である特徴を有している。このような燃料電池システムにおいて、高発電効率を得るためには、原燃料ガスの燃料利用率を高く設定する必要があり、そのために、燃料電池セルスタックの発電電流と原燃料ガスのガス組成・ガス流量を正確に制御する必要がある。
【０００４】
この燃料電池システムの原燃料ガスとしてメタン発酵ガスを用いようとする場合、メタン発酵槽内の発酵状態によってガス組成・熱量が変動するが、その変動幅は熱量として±２０％程度に達する。稼働運転時の設定熱量よりも原燃料ガス（メタン発酵ガス）の熱量が低いと、燃料電池セルスタックでの燃料利用率が設定値よりも高くなり、燃料不足側の発電によって、燃料電池セルスタックの劣化促進、燃料電池システム内での熱不足が生じる。一方、稼働運転時の設定熱量よりも原燃料ガスの熱量が高いと、燃料電池セルスタックでの燃料利用率が設定値よりも低くなり、余分な燃料ガスの燃焼による発熱が大きくなり、部分的な加熱により燃料電池システムが破損したり、発電効率が低くなるなどの問題が生じる。
【０００５】
このようなことから、例えば、改質器の内部温度に基づいて原燃料ガスの組成を算出するようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、改質器や燃料電池セルスタックの劣化に伴う温度状態の変化が原燃料ガスの組成の算出結果に影響を与えることになり、それ故に、原燃料ガスの組成を正確に算出することが難しくなる。特に、断熱材で覆われた高温室に改質器及び燃料電池セルスタックが格納された固体酸化物形燃料電池システムでは、内部温度の変化が大きいために、原燃料ガスの組成を正確に算出するのが一層難しくなり、更には負荷に追従して発電出力が変動する燃料電池システムでは、発電出力が変化することにより内部温度が変動するために、このような内部温度を利用した原燃料ガスの組成算出の適用は困難となる。
【０００６】
また、原燃料ガスとしてＬＰガスボンベからのＬＰガスを用いた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２）。ＬＰガスボンベからのＬＰガスを用いる場合、使用初期と使用終期とで送給されるガス組成が変化するので、このようにガス組成が変化しても水添加流量が所望の通りとなるように、熱式質量流量計でＬＰガスの熱式流量が計測され、この計測流量に基づいて改質器に供給される水蒸気流量が運転条件として設定され、このようにして改質器に供給される水蒸気量が改質器におけるスチーム・カーボン比が所定値に維持されように制御される。しかし、このようなシステムは、熱量質量流量計の検知信号がガス組成の影響を受けて変化することを利用しているが、ガス熱量として±２０％程度に達し且つガス組成が変動しても熱式質量流量計の測定にほとんど影響を与えないメタン発酵ガスにおける組成変化に対応することができない。
【０００７】
また、連続的にメタン組成を測定するための手段として、赤外分光を用いた測定装置が知られているが、このような測定装置は高価であるために、採用しようとすると燃料電池システムの製造コストが上昇し、家庭用又は小型乃至中型の燃料電池システムに搭載するのが難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−４７４３８号公報
【特許文献２】特開２００３−１４６６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
原燃料ガスとしてメタン発酵ガスを用いようとする場合、上述したように、ガス熱量の変動幅が±２０％程度に達するために、その変動幅に対応して燃料電池システムを稼働制御する必要があり、その際、家庭用又は小型乃至中型の燃料電池システムにおいては、簡易で且つメンテナンスフリーとなることが求められる。そして、このような要求を満たすものを提供することができれば、バイオガス（例えば、メタン発酵ガス）を原燃料ガスとする家庭用又は小型乃至中型の燃料電池システムの実用化が大きく前進する。
【００１０】
本発明の目的は、バイオガスのガス組成・熱量が変動してもその変動組成を正確に計測してシステムを稼働制御することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための燃料電池セルスタックと、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、を備えた燃料電池システムであって、
原燃料ガスとしてメタン及び炭酸ガスの混合ガスが用いられ、前記燃料ガス供給流路には熱式質量流量計及び差圧測定手段が配設され、前記熱式質量流量計は前記燃料ガス供給流路を流れる前記混合ガスの流量を計測し、前記差圧測定手段は前記燃料ガス供給流路を流れる前記混合ガスの差圧を計測し、前記熱式質量流量計及び前記差圧計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池セルスタックの発電電流及び前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記混合ガスの流量が制御されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記改質器には、原燃料ガスを改質するために用いる水を供給するための水供給流路が接続されており、前記熱式質量流量計及び前記差圧計測手段の計測値に基づいて、前記水供給流路を通して供給される水の流量が制御されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記差圧計測手段に関連して、前記燃料ガス供給流路を流れる前記混合ガスの温度を検知するための温度検知手段が設けられており、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、前記差圧計測手段の計測値が温度補正されることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池セルスタックが、固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池セルスタックが断熱材で覆われた燃料電池ハウジング内に格納されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、改質器に原燃料ガス（メタン及び炭酸ガスの混合ガス）を供給するための燃料ガス供給流路に熱式質量流量計及び差圧測定手段が配設されているので、熱式質量流量計は原燃料ガスの流量を計測し、差圧測定手段は原燃料ガスの差圧を計測する。原燃料ガス中に含まれるメタン濃度（メタンの含有割合）は、差圧測定手段の測定値に基づいて算出することができ、この差圧測定手段の測定値と熱式質量流量計の測定値とに基づいて原燃料ガスにおけるメタンの流量を算出することができ、このメタン流量（即ち、熱式質量流量計及び差圧計測手段の計測値）に基づいて燃料電池セルスタックの発電電流及び燃料ガス供給流路を通して供給される原燃料ガスの流量を制御することによって、原燃料ガス中のメタンの濃度が変動しても燃料電池セルスタックにおける燃料利用率を一定に維持することが可能となり、その結果、燃料電池システムの安定した稼働運転を長期にわたって行うことができる。また、熱式質量流量計及び差圧測定手段を設けるという簡単な構成でもって行うことができ、家庭用又は小型乃至中型の燃料電池システムに好都合に適用することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、熱式質量流量計及び差圧計測手段の計測値に基づいて改質器に供給される水の流量が制御されるので、原燃料ガス（メタン及び炭酸ガスの混合ガス）の燃料利用率に対応した水を改質器に供給することができ、安定して水を改質器に供給することができる。
【００１７】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、差圧計測手段に関連して温度検知手段が設けられ、この温度検知手段の検知温度に基づいて差圧計測手段の計測値が温度補正されるので、原燃料ガス中に含まれるメタン濃度（メタンの含有割合）を正確に計測することができる。
【００１８】
更に、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、このような形態の燃料電池システムでは、高温室の温度が高温で温度変動が大きく、高温室の温度情報により燃料熱量変動を推定することが難しいが、このようなシステムにおいても高温室の温度に関係なく測定することができ、好都合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に従う燃料電池システムの一実施形態を概略的に示す簡略図。
【図２】図１の燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。
【図３】混合ガス中のメタンの濃度と差圧（相対値）との関係を示す図。
【図４】混合ガスの温度と差圧（相対値）の変化との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１において、図示の燃料電池システム２は、原燃料ガスとして例えばバイオガス（メタン発酵ガス、消化ガスなど）を用いるものであり、このようなバイオガスはメタンと炭酸ガスとの混合ガスであり、メタンと炭酸ガスとの混合ガスを単に「混合ガス」と記載する。
【００２１】
この燃料電池システム２は、原燃料ガス（混合ガス）を改質するための改質器４と、改質器４にて改質された燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック６と、原燃料ガスを改質器４に供給するための燃料ガス供給流路８と、酸化材としての空気を燃料電池セルスタック６に供給するための空気供給流路１０と、を備えている。
【００２２】
燃料電池セルスタック６は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成され、このような燃料電池セルスタック６として、固体酸化物形燃料電池セルを用いた固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いることができ、この固体酸化物形燃料電池セルスタックは、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
【００２３】
この燃料電池システム２は、改質用の水を気化して改質器４に供給するための気化器１２を備えている。燃料電池セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路１４を介して改質器４に接続され、この改質器４は、燃料ガス供給流路８を介して燃料ガス供給源１６に接続されている。
【００２４】
この実施形態では、燃料ガス供給流路８に気化器１２が配設され、燃料ガス供給源１６からの原燃料ガスが気化器１２に供給され、この気化器１２を通して改質器４に供給される。また、気化器１２は水供給流路１８を介して水供給源２０（例えば水道管、水タンクなどから構成される）に接続され、水供給源２０からの改質用の水が水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。尚、燃料ガス供給流路８を気化器１２に接続することに代えて、この燃料ガス供給流路８を改質器４に直接的に接続するようにしてもよい。
【００２５】
燃料ガス供給流路８（具体的には、燃料ガス供給源１６と気化器１２との間の部位）に、一対の開閉弁２２，２４（第１開閉弁２２、第２開閉弁２４）、脱硫器２６及び燃料用ポンプ２８が配設されている。第１及び第２開閉弁２２，２４は燃料ガス供給流路８を開閉し、脱硫器２６は原燃料ガス（混合ガス）に含まれる硫黄成分を除去し、燃料ガス用ポンプ２８は燃料ガス供給源１６からの原燃料ガスを燃料ガス供給流路を通して気化器１２に送給し、この燃料ガス用ポンプ２８の回転数を制御することによって、燃料ガス供給流路８を通して供給される原燃料ガスの供給量が制御される。また、水供給流路１８には水用ポンプ３０が配設され、水用ポンプ３０は水供給原２０からの改質用の水を水供給流路１８を通して気化器１２に送給し、この水用ポンプ３０の回転数を制御することによって、水供給流路１８を通して送給される水の供給量が制御される。
【００２６】
改質器４は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものを備え、この改質触媒によって燃料ガスを水蒸気改質する。即ち、気化器１２は、水供給源２０から供給された水を気化させて水蒸気を発生し、気化器１２からの原燃料ガス及び水蒸気が改質器４に送給され、かかる改質器４にて水蒸気を用いて原燃料ガスを水蒸気改質する。
【００２７】
また、空気供給流路１０には空気ブロア３２が配設されている。空気ブロア３２は、空気を空気供給流路１０を通して空気を燃料電池セルスタック６の酸素極側に供給し、この空気ブロア３２の回転数を制御することによって、燃料電池セルスタック６の酸素極側に供給される空気の流量が制御される。
【００２８】
燃料電池セルスタック６の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼室３４が配設され、燃料電池セルスタック６の一端から排出された余剰の燃料ガスと酸素極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とがこの燃焼室３４に送給されて燃焼される。この燃焼室３４は排気ガス排出流路３６を介して大気に開放され、燃料室３４にて燃焼された燃焼排気ガスは排気ガス排出流路３６を通して大気に排出される。この排気ガス排出流路３６には空気予熱器３８（例えば、熱交換器から構成される）が配設されている。この空気余熱器３８においては、空気供給流路１０を通して供給される空気と排気ガス排出流路３６を通して排出される排気ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換によって加温された空気が空気燃料電池セルスタック６に送給される。
【００２９】
この実施形態では、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１２及び空気予熱器３８が燃料電池ハウジング４０に収容されている。燃料電池ハウジング４０の内壁面の実質上全域には断熱材（図示せず）が配設され、このように断熱材で覆われた燃料電池ハウジング４０が高温室４２を規定し、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１２及び空気予熱器３８が高温室４２内で高温状態に保たれる。
【００３０】
この実施形態では、燃料ガス供給源１６は、有機廃棄物などをメタン発酵処理するためのメタン発酵処理システム４４から構成されている。このメタン発酵システム４４は、それ自体周知のものでよく、メタン発酵槽４６、不純物除去槽４８及び乾燥槽５０を含んでいる。メタン発酵槽４６は、例えば有機廃棄物などを微生物を用いてメタン発酵処理し、メタン発酵により発生したはメタン発酵ガス（メタンと炭酸ガスとの混合ガス）が不純物除去槽４８に送給され、この不純物除去槽４８にてメタン発酵ガスに含まれた不純物（例えば、硫黄化合物）が除去される。不純物が除去されたメタン発酵ガスは乾燥槽５０に送給され、この乾燥槽５０にてメタン発酵ガスに含まれた水分が除去され、このように不純物除去処理及び乾燥処理されたメタン発酵ガス（混合ガス）が原燃料ガスとして燃料電池セルスタック６での発電反応に用いられる。
【００３１】
この実施形態では、原燃料ガスとして用いる混合ガスのメタンの濃度（メタンの含有割合）、換言すると混合ガスの熱量を算出するために、熱式質量流量計５２及び差圧計測手段５４が設けられ、更に差圧計測手段５４に関連して温度検知手段５６が設けられ、これらが燃料ガス供給流路８に配設されている。熱式質量流量計５２は燃料ガス用ポンプ２８の下流側に配設され、差圧計測手段５４及び温度検知手段５６は熱式質量流量計５２の下流側に配設される。
【００３２】
熱式質量流量計５２は、それ自体周知のものであり、所定温度に加熱される加熱温度センサと加熱されない非加熱温度センサとから構成される。この熱式質量流量計５２の計測原理について概説すると、気体流中に加熱温度センサ及び非加熱温度センサを配設すると、加熱温度センサは気体の流れにより熱を奪われて温度が変化し、この加熱温度センサと非加熱温度センサとの検知温度に温度差が生じる。この温度差と気体の流速とは一定の関係にあり、かかる一定の関係になること利用して気体（即ち、混合ガス）の流量を測定するものであり、ガス種によりガスが持つ熱拡散作用が異なっており、これらはコンバージョンファクタとして整理される。
【００３３】
一般的な常温作動タイプの熱式質量流量計５２においては、窒素を１．０としたときのコンバージョンファクタは、メタンが０．７４に、炭酸ガスが０．７４となり、メタンと炭酸ガスとの混合ガスでは、その混合比に関係なくコンバージョンファクタが一定（０．７４）となり、このことに着目して熱式質量流量計５２を用いて混合ガスの流量を計測するものである。
【００３４】
熱式質量流量計５２における二つの温度センサ（加熱温度センサと非加熱温度センサ）の温度差と混合ガス（メタンと炭酸ガスとの混合ガス）の流量との関係は、混合ガスの流量が多くなるほど二つの温度センサの温度差が大きくなり、このような関係を利用して燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガス（混合ガス）の流量を計測する。このような熱式質量流量計５２としては、例えば東京計装株式会社から販売されているマスフローメータ（ＨＭ５０００シリーズ）を用いることができる。
【００３５】
また、差圧計測手段５４はそれ自体周知のものであり、流れ方向に間隔をおいて配設された一対の圧力センサ（図示せず）から構成される。この差圧計測手段５４の計測原理について概説すると、メタンと炭酸ガスとの混合ガスにおいては、その組成の変化により密度（ｋｇ／ｍ３）及び粘度の変化が大きく、混合ガスの組成による密度及び粘度変化を反映した情報として差圧測定を用いるものである。
【００３６】
差圧計測手段５４における一対の圧力センサの圧力差（所謂、差圧）と混合ガスのメタンの濃度（含有割合）との関係は、例えば、図３に示す通りとなり、一対の圧力センサの差圧が小さくなるほど混合ガス中のメタンの含有割合が大きくなり、このような関係を利用して燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガス（混合ガス）のメタン濃度（即ち、含有割合）を計測する。尚、図４は、混合ガスの温度が２０℃である状態における差圧とメタン濃度（含有割合）との関係を示し、メタンの含有割合が０．５（濃度：５０％）であるときの差圧を「１」とし、このときを基準とした相対値でもって差圧を示している。
【００３７】
また、温度検知手段５６は温度センサから構成され、この温度センサの検知温度は差圧計測手段５４の計測値を温度補正するために用いられる。混合ガスの密度及び粘度は温度の影響を受け、温度が上昇するほど混合ガスの密度及び粘度が小さくなる。従って、差圧計測手段５４の計測値（差圧値）は、図４に示すように、混合ガスの温度が上昇するほど大きくなり、このような関係を利用して差圧計測手段５４の計測値を温度補正する。尚、図４は、混合ガスの温度とその差圧値（差圧計測手段５４の計測値）との関係を示し、気体の温度が２０℃であるときの差圧を「１」とし、このときを基準とした相対値でもって差圧を示している。このように温度補正することにより、差圧計測手段５４により差圧を正確に計測することができる。尚、熱式質量流量計５２に関連して温度検知手段（図示せず）を設け、この温度検知手段の検知温度に基づいて熱式質量流量計５２の流量値を温度補正するようにしてもよい。
【００３８】
この実施形態では、燃料電池システム２の各種構成要素（例えば、燃料用ポンプ２８、燃料電池セルスタック６、水用ポンプ、空気ブロア３２など）の作動を制御するためにコントローラ６０が設けられ、このコントローラ６０は後述する如く上記各種構成要素を作動制御する。このコントローラ６０は、作動制御手段６２、差圧補正演算手段６４、混合割合演算手段６６、燃料ガス流量演算手段６８及び水流量演算手段７０を含んでいる。作動制御手段６２は、燃料電池システム２の各種構成要素を後述する如く作動制御し、差圧補正演算手段６４は、差圧計測手段５４の差圧計測値を温度検知手段５６の検知温度温度に基づいて温度補正し、この温度補正は、図４に示す混合ガスの温度とその差圧値（差圧計測手段５４の計測値）との関係、即ち差圧−温度テーブル７８に基づいて温度補正する。また、混合割合演算手段６６は、差圧計測手段６４及び温度検知手段５６の計測値、具体的には差圧補正手段６４により温度補正された補正差圧値を用い、図３に示す差圧計測手段５４の差圧値と混合ガスのメタンの濃度（含有割合）との関係、即ちメタン濃度−差圧テーブル７６に基づいてメタン含有割合を演算し、また燃料ガス流量演算手段６８は、差圧計測手段５４、温度検知手段５６及び熱式質量流量計５２の計測値、具体的には混合割合演算手段６６により演算されたメタン含有割合値を用い、混合ガスの流量（換言すると、混合ガスの熱量）を演算する。
【００３９】
一般に、メタンと炭酸ガスとの混合ガスを原燃料ガスとして用いる場合、混合ガス（原燃料ガス）の流量と燃料電池セルスタック６のセル積層数（Ｎ）及びその発電電流（Ｉ）との関係は、次の数式（１）に示す通りである。
【００４０】
【数１】
ここで、数式（１）における「ＵＦ」は燃料利用率（通常、０．７〜０．８の値となる）であり、「ＸＣＨ４」は原燃料ガス（混合ガス）中のメタンの割合（メタン発酵ガスにおいては、通常、０．５〜０．８の値となる）であり、数字の「８」はメタンの反応電子数であり、また数字の「９６４８５」はファラディ定数である。
【００４１】
燃料電池セルスタック６の発電電流及びこの燃料電池セルスタック６での燃料利用率を設定して燃料電池システムを稼働運転したときの必要な原燃料ガス（混合ガス）流量は、この数式（１）を用いて演算することができる。一方、燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガスの流量は、熱式質量流量計５２、差圧計測手段５４及び温度検知手段５６の計測値を用いて上述したように演算することができる。従って、燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガスの流量が数式（１）を用いて演算される必要な原燃料ガス流量となるように、例えば燃料用ポンプ２８の回転数を作動制御することによって、設定発電電流及び設定燃料利用率を得るに必要な原燃料ガスが燃料電池セルスタック６に供給されることになる。尚、燃料用ポンプ２８の回転数を制御することに代えて、燃料ガス供給流路８に流量制御弁を配設し、この流量制御弁の開度を調整することによって、燃料ガスの供給量を制御するようにしてもよい。
【００４２】
このようにして燃料電池セルスタック６に送給される原燃料ガスの流量が制御されると、これに対応して改質用水の流量も制御するのが望ましい。改質用水の流量は、原燃料ガス（混合ガス）中のメタンのモル量の所定倍（通常、２．０〜３．０倍）になるように原燃料ガスの流量に比例した流量に制御され、この流量制御は、例えば水用ポンプ３０の回転数を作動制御することによって行われる。尚、このような構成に代えて、水供給流路１８に流量制御弁を配設し、この流量制御弁の開度を調整することによって、水の供給量を制御するようにしてもよい。
【００４３】
また、このコントローラ６０はメモリ手段７２を含み、このメモリ手段７２にメタン濃度−差圧テーブル７６及び差圧−温度テーブル７８が登録され、燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガスの流量を演算するとき、このメモリ手段７２に登録されたメタン濃度−差圧テーブル７６及び差圧−温度テーブル７８が用いられる。
【００４４】
次に、上述した燃料電池システム２の発電運転について説明する。燃料ガス供給源１６としてのメタン発酵システム４４において、メタン発酵槽４６におけるメタン発酵処理によってメタン発酵ガス（メタンと炭酸ガスとの混合ガス）が発生し、かく発生した混合ガスは不純物除去槽４８にて不純物が除去され、更に乾燥槽５０にて水分が除去され、かく処理された混合ガスが原燃料ガスとして燃料ガス供給流路８に供給される。
【００４５】
メタン発酵システム４４から供給された混合ガス（原燃料ガス）は燃料ガス供給流路８を通して気化器１２に供給され、また改質用の水は水供給流路１８を通して気化器１２に供給され、気化器１２にて気化された水蒸気は、混合ガスとともに改質器４に送給される。改質器４においては、混合ガス（これに含まれたメタン）が水蒸気により水蒸気改質され、水蒸気改質された混合ガスが改質燃料ガス送給流路１４を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。
【００４６】
また、空気ブロア３２からの空気は、空気供給流路１０を通して燃料電池セルスタック６の酸素極側に供給され、空気供給流路１０を通して流れる間に、空気余熱器３８にて排気ガス排出流路３６を通して排出される排気ガスとの間で熱交換され、この熱交換によって加温された空気が空気燃料電池セルスタック６に送給される。
【００４７】
燃料電池セルスタック６においては、燃料極側に送給された改質混合ガスと酸素極側に送給された空気との酸化及び還元により発電が行われ、この発電によって発電電流が得られる。この燃料電池セルスタック６においては、混合ガス（それに含まれたメタン）は設定の燃料利用率となるように消費され、残余の改質混合ガスは、燃料電池セルスタック６の燃料極側から燃焼室３４に排出され、この燃焼室にて燃料電池セルスタック６の空気極側から排出された空気により燃焼され、燃焼排気ガスが排気ガス排出流路３６を通して大気中に排出される。
【００４８】
このとき、燃料ガス供給流路８を通して供給される混合ガス（原燃料ガス）の流量は、熱式質量流量計５２、差圧計測手段５４及び温度検知手段５６の計測値に基づいて、次のようにして制御される。即ち、差圧計測手段５４は燃料ガス供給流路８を流れる混合ガスの差圧を計測し、温度検知手段５６はこの混合ガスの温度を検知し、コントローラ６０の差圧補正演算手段６４は、温度検知手段５６の検知温度に基づいて差圧計測手段５４の計測値を補正し、混合割合演算手段６６は、この温度補正された差圧値に基づいて混合ガス中のメタンの含有割合を演算する。また、熱式質量流量計５２は燃料ガス供給流路８を流れる混合ガスの流量を検知する。そして、作動制御手段６２は、この熱式質量流量計５２による混合ガスの流量が上記式（１）により演算した原燃料ガス（混合ガス）流量となるように燃料ガス用ポンプ２８を作動制御し、このように燃料ガス用ポンプ２８を作動制御することによって、混合ガス中のメタンの含有割合が変動しても、設定燃料利用率でもって設定発電電流を得るように燃料電池セルスタック６を安定して稼働運転することができる。また、水流量演算手段７０は、燃料ガス流量演算手段６８による混合ガス流量値及び混合割合演算手段６６によるメタンの０混合割合に基づき、メタンのモル量の所定倍になるように流量を演算し、作動制御手段６２は、水供給流路１８を通して供給される改質用水の流量が水流量演算手段７０による流量となるよう水用ポンプ３０を作動制御し、このように水用ポンプ３０を作動制御することによって、混合ガス中のメタンを水蒸気改質するのに適量の水を安定して供給することができる。
【００４９】
以上、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態ついて説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
〔実施例及び比較例〕
燃料電池システムとして固体酸化物形燃料電池システムを用い、燃料ガス供給流路に供給される原燃料ガス（混合ガス）の組成がメタン６０％、炭酸ガス４０％と調整し、設定燃料利用率を０．７５として流量を決定した場合において、メタンの含有割合（濃度）がが経時的に変化したときの燃料電池セルスタックの実効の燃料利用率を比較すると、その結果は、表１に示す通りとなった。
【００５０】
実施例として、図１の燃料電池システムの燃料ガス供給流路に熱式質量流量計と差圧計測手段の双方を配設し、熱式質量流量計と差圧計測手段の双方の計測値を用いた演算結果に基づいて燃料電池セルスタックの発電電流と燃料ガス流量を制御した。
【００５１】
また、比較例として、実施例の差圧計測手段を省略し、図１の燃料電池システムの燃料ガス供給流路に熱式質量流量計のみを配設し、熱式質量流量計の計測値を用いた演算結果に基づいて燃料電池セルスタックの発電電流と燃料ガス流量を制御した。
【００５２】
【表１】
比較例では、メタンの濃度が６０％から５０％に変動すると、実効の燃料利用率は９０％に上昇し、短時間で発電の継続が困難となる。これに対して、実施例では、メタンの濃度が変動しても、この変動に自動的に追従して燃料ガスの流量設定が変わるために、常に設定すべき燃料利用率が７５％に保たれ、設定の燃料利用率での長期にわたる安定した稼働が可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
２ 燃料電池システム
４ 改質器
６ 燃料電池セルスタック
８ 燃料ガス供給流路
１０ 空気供給流路
１２ 気化器
１６ 燃料ガス供給源
１８ 水供給流路
４４ メタン発酵処理システム
５２ 熱式質量流量計
５４ 差圧計測手段
５６ 温度検知手段
６０ コントローラ
６４ 差圧補正演算手段
６６ 混合割合演算手段
６８ 燃料ガス流量演算手段
７０ 水流量演算手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを改質した改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオガス（例えば、メタン発酵ガス、消化ガス）を原燃料ガスとして用いる燃料電池システムは、炭酸ガスの排出抑制の観点から将来的に有望な技術である。このバイオガスとしてのメタン発酵ガスは、例えば有機廃棄物をメタン発酵処理するためのメタン発酵槽で生成される。このメタン発酵ガスは、メタンと炭酸ガスとの混合ガスであるが、メタン発酵槽内でのメタン発酵状態により組成（メタンの濃度）及び熱量が変動するという特徴を有する。
【０００３】
近年、燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムは、従来の発電システムに比して小規模でも高発電効率である特徴を有している。このような燃料電池システムにおいて、高発電効率を得るためには、原燃料ガスの燃料利用率を高く設定する必要があり、そのために、燃料電池セルスタックの発電電流と原燃料ガスのガス組成・ガス流量を正確に制御する必要がある。
【０００４】
この燃料電池システムの原燃料ガスとしてメタン発酵ガスを用いようとする場合、メタン発酵槽内の発酵状態によってガス組成・熱量が変動するが、その変動幅は熱量として±２０％程度に達する。稼働運転時の設定熱量よりも原燃料ガス（メタン発酵ガス）の熱量が低いと、燃料電池セルスタックでの燃料利用率が設定値よりも高くなり、燃料不足側の発電によって、燃料電池セルスタックの劣化促進、燃料電池システム内での熱不足が生じる。一方、稼働運転時の設定熱量よりも原燃料ガスの熱量が高いと、燃料電池セルスタックでの燃料利用率が設定値よりも低くなり、余分な燃料ガスの燃焼による発熱が大きくなり、部分的な加熱により燃料電池システムが破損したり、発電効率が低くなるなどの問題が生じる。
【０００５】
このようなことから、例えば、改質器の内部温度に基づいて原燃料ガスの組成を算出するようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、改質器や燃料電池セルスタックの劣化に伴う温度状態の変化が原燃料ガスの組成の算出結果に影響を与えることになり、それ故に、原燃料ガスの組成を正確に算出することが難しくなる。特に、断熱材で覆われた高温室に改質器及び燃料電池セルスタックが格納された固体酸化物形燃料電池システムでは、内部温度の変化が大きいために、原燃料ガスの組成を正確に算出するのが一層難しくなり、更には負荷に追従して発電出力が変動する燃料電池システムでは、発電出力が変化することにより内部温度が変動するために、このような内部温度を利用した原燃料ガスの組成算出の適用は困難となる。
【０００６】
また、原燃料ガスとしてＬＰガスボンベからのＬＰガスを用いた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２）。ＬＰガスボンベからのＬＰガスを用いる場合、使用初期と使用終期とで送給されるガス組成が変化するので、このようにガス組成が変化しても水添加流量が所望の通りとなるように、熱式質量流量計でＬＰガスの熱式流量が計測され、この計測流量に基づいて改質器に供給される水蒸気流量が運転条件として設定され、このようにして改質器に供給される水蒸気量が改質器におけるスチーム・カーボン比が所定値に維持されように制御される。しかし、このようなシステムは、熱量質量流量計の検知信号がガス組成の影響を受けて変化することを利用しているが、ガス熱量として±２０％程度に達し且つガス組成が変動しても熱式質量流量計の測定にほとんど影響を与えないメタン発酵ガスにおける組成変化に対応することができない。
【０００７】
また、連続的にメタン組成を測定するための手段として、赤外分光を用いた測定装置が知られているが、このような測定装置は高価であるために、採用しようとすると燃料電池システムの製造コストが上昇し、家庭用又は小型乃至中型の燃料電池システムに搭載するのが難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−４７４３８号公報
【特許文献２】特開２００３−１４６６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
原燃料ガスとしてメタン発酵ガスを用いようとする場合、上述したように、ガス熱量の変動幅が±２０％程度に達するために、その変動幅に対応して燃料電池システムを稼働制御する必要があり、その際、家庭用又は小型乃至中型の燃料電池システムにおいては、簡易で且つメンテナンスフリーとなることが求められる。そして、このような要求を満たすものを提供することができれば、バイオガス（例えば、メタン発酵ガス）を原燃料ガスとする家庭用又は小型乃至中型の燃料電池システムの実用化が大きく前進する。
【００１０】
本発明の目的は、バイオガスのガス組成・熱量が変動してもその変動組成を正確に計測してシステムを稼働制御することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための燃料電池セルスタックと、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、を備えた燃料電池システムであって、
原燃料ガスとしてメタン及び炭酸ガスの混合ガスが用いられ、前記燃料ガス供給流路には熱式質量流量計及び差圧測定手段が配設され、前記熱式質量流量計は前記燃料ガス供給流路を流れる前記混合ガスの流量を計測し、前記差圧測定手段は前記燃料ガス供給流路を流れる前記混合ガスの差圧を計測し、前記熱式質量流量計及び前記差圧計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池セルスタックの発電電流及び前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記混合ガスの流量が制御されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記改質器には、原燃料ガスを改質するために用いる水を供給するための水供給流路が接続されており、前記熱式質量流量計及び前記差圧計測手段の計測値に基づいて、前記水供給流路を通して供給される水の流量が制御されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記差圧計測手段に関連して、前記燃料ガス供給流路を流れる前記混合ガスの温度を検知するための温度検知手段が設けられており、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、前記差圧計測手段の計測値が温度補正されることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池セルスタックが、固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池セルスタックが断熱材で覆われた燃料電池ハウジング内に格納されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、改質器に原燃料ガス（メタン及び炭酸ガスの混合ガス）を供給するための燃料ガス供給流路に熱式質量流量計及び差圧測定手段が配設されているので、熱式質量流量計は原燃料ガスの流量を計測し、差圧測定手段は原燃料ガスの差圧を計測する。原燃料ガス中に含まれるメタン濃度（メタンの含有割合）は、差圧測定手段の測定値に基づいて算出することができ、この差圧測定手段の測定値と熱式質量流量計の測定値とに基づいて原燃料ガスにおけるメタンの流量を算出することができ、このメタン流量（即ち、熱式質量流量計及び差圧計測手段の計測値）に基づいて燃料電池セルスタックの発電電流及び燃料ガス供給流路を通して供給される原燃料ガスの流量を制御することによって、原燃料ガス中のメタンの濃度が変動しても燃料電池セルスタックにおける燃料利用率を一定に維持することが可能となり、その結果、燃料電池システムの安定した稼働運転を長期にわたって行うことができる。また、熱式質量流量計及び差圧測定手段を設けるという簡単な構成でもって行うことができ、家庭用又は小型乃至中型の燃料電池システムに好都合に適用することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、熱式質量流量計及び差圧計測手段の計測値に基づいて改質器に供給される水の流量が制御されるので、原燃料ガス（メタン及び炭酸ガスの混合ガス）の燃料利用率に対応した水を改質器に供給することができ、安定して水を改質器に供給することができる。
【００１７】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、差圧計測手段に関連して温度検知手段が設けられ、この温度検知手段の検知温度に基づいて差圧計測手段の計測値が温度補正されるので、原燃料ガス中に含まれるメタン濃度（メタンの含有割合）を正確に計測することができる。
【００１８】
更に、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、このような形態の燃料電池システムでは、高温室の温度が高温で温度変動が大きく、高温室の温度情報により燃料熱量変動を推定することが難しいが、このようなシステムにおいても高温室の温度に関係なく測定することができ、好都合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に従う燃料電池システムの一実施形態を概略的に示す簡略図。
【図２】図１の燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。
【図３】混合ガス中のメタンの濃度と差圧（相対値）との関係を示す図。
【図４】混合ガスの温度と差圧（相対値）の変化との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１において、図示の燃料電池システム２は、原燃料ガスとして例えばバイオガス（メタン発酵ガス、消化ガスなど）を用いるものであり、このようなバイオガスはメタンと炭酸ガスとの混合ガスであり、メタンと炭酸ガスとの混合ガスを単に「混合ガス」と記載する。
【００２１】
この燃料電池システム２は、原燃料ガス（混合ガス）を改質するための改質器４と、改質器４にて改質された燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック６と、原燃料ガスを改質器４に供給するための燃料ガス供給流路８と、酸化材としての空気を燃料電池セルスタック６に供給するための空気供給流路１０と、を備えている。
【００２２】
燃料電池セルスタック６は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成され、このような燃料電池セルスタック６として、固体酸化物形燃料電池セルを用いた固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いることができ、この固体酸化物形燃料電池セルスタックは、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
【００２３】
この燃料電池システム２は、改質用の水を気化して改質器４に供給するための気化器１２を備えている。燃料電池セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路１４を介して改質器４に接続され、この改質器４は、燃料ガス供給流路８を介して燃料ガス供給源１６に接続されている。
【００２４】
この実施形態では、燃料ガス供給流路８に気化器１２が配設され、燃料ガス供給源１６からの原燃料ガスが気化器１２に供給され、この気化器１２を通して改質器４に供給される。また、気化器１２は水供給流路１８を介して水供給源２０（例えば水道管、水タンクなどから構成される）に接続され、水供給源２０からの改質用の水が水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。尚、燃料ガス供給流路８を気化器１２に接続することに代えて、この燃料ガス供給流路８を改質器４に直接的に接続するようにしてもよい。
【００２５】
燃料ガス供給流路８（具体的には、燃料ガス供給源１６と気化器１２との間の部位）に、一対の開閉弁２２，２４（第１開閉弁２２、第２開閉弁２４）、脱硫器２６及び燃料用ポンプ２８が配設されている。第１及び第２開閉弁２２，２４は燃料ガス供給流路８を開閉し、脱硫器２６は原燃料ガス（混合ガス）に含まれる硫黄成分を除去し、燃料ガス用ポンプ２８は燃料ガス供給源１６からの原燃料ガスを燃料ガス供給流路を通して気化器１２に送給し、この燃料ガス用ポンプ２８の回転数を制御することによって、燃料ガス供給流路８を通して供給される原燃料ガスの供給量が制御される。また、水供給流路１８には水用ポンプ３０が配設され、水用ポンプ３０は水供給原２０からの改質用の水を水供給流路１８を通して気化器１２に送給し、この水用ポンプ３０の回転数を制御することによって、水供給流路１８を通して送給される水の供給量が制御される。
【００２６】
改質器４は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものを備え、この改質触媒によって燃料ガスを水蒸気改質する。即ち、気化器１２は、水供給源２０から供給された水を気化させて水蒸気を発生し、気化器１２からの原燃料ガス及び水蒸気が改質器４に送給され、かかる改質器４にて水蒸気を用いて原燃料ガスを水蒸気改質する。
【００２７】
また、空気供給流路１０には空気ブロア３２が配設されている。空気ブロア３２は、空気を空気供給流路１０を通して空気を燃料電池セルスタック６の酸素極側に供給し、この空気ブロア３２の回転数を制御することによって、燃料電池セルスタック６の酸素極側に供給される空気の流量が制御される。
【００２８】
燃料電池セルスタック６の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼室３４が配設され、燃料電池セルスタック６の一端から排出された余剰の燃料ガスと酸素極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とがこの燃焼室３４に送給されて燃焼される。この燃焼室３４は排気ガス排出流路３６を介して大気に開放され、燃料室３４にて燃焼された燃焼排気ガスは排気ガス排出流路３６を通して大気に排出される。この排気ガス排出流路３６には空気予熱器３８（例えば、熱交換器から構成される）が配設されている。この空気余熱器３８においては、空気供給流路１０を通して供給される空気と排気ガス排出流路３６を通して排出される排気ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換によって加温された空気が空気燃料電池セルスタック６に送給される。
【００２９】
この実施形態では、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１２及び空気予熱器３８が燃料電池ハウジング４０に収容されている。燃料電池ハウジング４０の内壁面の実質上全域には断熱材（図示せず）が配設され、このように断熱材で覆われた燃料電池ハウジング４０が高温室４２を規定し、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１２及び空気予熱器３８が高温室４２内で高温状態に保たれる。
【００３０】
この実施形態では、燃料ガス供給源１６は、有機廃棄物などをメタン発酵処理するためのメタン発酵処理システム４４から構成されている。このメタン発酵システム４４は、それ自体周知のものでよく、メタン発酵槽４６、不純物除去槽４８及び乾燥槽５０を含んでいる。メタン発酵槽４６は、例えば有機廃棄物などを微生物を用いてメタン発酵処理し、メタン発酵により発生したはメタン発酵ガス（メタンと炭酸ガスとの混合ガス）が不純物除去槽４８に送給され、この不純物除去槽４８にてメタン発酵ガスに含まれた不純物（例えば、硫黄化合物）が除去される。不純物が除去されたメタン発酵ガスは乾燥槽５０に送給され、この乾燥槽５０にてメタン発酵ガスに含まれた水分が除去され、このように不純物除去処理及び乾燥処理されたメタン発酵ガス（混合ガス）が原燃料ガスとして燃料電池セルスタック６での発電反応に用いられる。
【００３１】
この実施形態では、原燃料ガスとして用いる混合ガスのメタンの濃度（メタンの含有割合）、換言すると混合ガスの熱量を算出するために、熱式質量流量計５２及び差圧計測手段５４が設けられ、更に差圧計測手段５４に関連して温度検知手段５６が設けられ、これらが燃料ガス供給流路８に配設されている。熱式質量流量計５２は燃料ガス用ポンプ２８の下流側に配設され、差圧計測手段５４及び温度検知手段５６は熱式質量流量計５２の下流側に配設される。
【００３２】
熱式質量流量計５２は、それ自体周知のものであり、所定温度に加熱される加熱温度センサと加熱されない非加熱温度センサとから構成される。この熱式質量流量計５２の計測原理について概説すると、気体流中に加熱温度センサ及び非加熱温度センサを配設すると、加熱温度センサは気体の流れにより熱を奪われて温度が変化し、この加熱温度センサと非加熱温度センサとの検知温度に温度差が生じる。この温度差と気体の流速とは一定の関係にあり、かかる一定の関係になること利用して気体（即ち、混合ガス）の流量を測定するものであり、ガス種によりガスが持つ熱拡散作用が異なっており、これらはコンバージョンファクタとして整理される。
【００３３】
一般的な常温作動タイプの熱式質量流量計５２においては、窒素を１．０としたときのコンバージョンファクタは、メタンが０．７４に、炭酸ガスが０．７４となり、メタンと炭酸ガスとの混合ガスでは、その混合比に関係なくコンバージョンファクタが一定（０．７４）となり、このことに着目して熱式質量流量計５２を用いて混合ガスの流量を計測するものである。
【００３４】
熱式質量流量計５２における二つの温度センサ（加熱温度センサと非加熱温度センサ）の温度差と混合ガス（メタンと炭酸ガスとの混合ガス）の流量との関係は、混合ガスの流量が多くなるほど二つの温度センサの温度差が大きくなり、このような関係を利用して燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガス（混合ガス）の流量を計測する。このような熱式質量流量計５２としては、例えば東京計装株式会社から販売されているマスフローメータ（ＨＭ５０００シリーズ）を用いることができる。
【００３５】
また、差圧計測手段５４はそれ自体周知のものであり、流れ方向に間隔をおいて配設された一対の圧力センサ（図示せず）から構成される。この差圧計測手段５４の計測原理について概説すると、メタンと炭酸ガスとの混合ガスにおいては、その組成の変化により密度（ｋｇ／ｍ３）及び粘度の変化が大きく、混合ガスの組成による密度及び粘度変化を反映した情報として差圧測定を用いるものである。
【００３６】
差圧計測手段５４における一対の圧力センサの圧力差（所謂、差圧）と混合ガスのメタンの濃度（含有割合）との関係は、例えば、図３に示す通りとなり、一対の圧力センサの差圧が小さくなるほど混合ガス中のメタンの含有割合が大きくなり、このような関係を利用して燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガス（混合ガス）のメタン濃度（即ち、含有割合）を計測する。尚、図４は、混合ガスの温度が２０℃である状態における差圧とメタン濃度（含有割合）との関係を示し、メタンの含有割合が０．５（濃度：５０％）であるときの差圧を「１」とし、このときを基準とした相対値でもって差圧を示している。
【００３７】
また、温度検知手段５６は温度センサから構成され、この温度センサの検知温度は差圧計測手段５４の計測値を温度補正するために用いられる。混合ガスの密度及び粘度は温度の影響を受け、温度が上昇するほど混合ガスの密度及び粘度が小さくなる。従って、差圧計測手段５４の計測値（差圧値）は、図４に示すように、混合ガスの温度が上昇するほど大きくなり、このような関係を利用して差圧計測手段５４の計測値を温度補正する。尚、図４は、混合ガスの温度とその差圧値（差圧計測手段５４の計測値）との関係を示し、気体の温度が２０℃であるときの差圧を「１」とし、このときを基準とした相対値でもって差圧を示している。このように温度補正することにより、差圧計測手段５４により差圧を正確に計測することができる。尚、熱式質量流量計５２に関連して温度検知手段（図示せず）を設け、この温度検知手段の検知温度に基づいて熱式質量流量計５２の流量値を温度補正するようにしてもよい。
【００３８】
この実施形態では、燃料電池システム２の各種構成要素（例えば、燃料用ポンプ２８、燃料電池セルスタック６、水用ポンプ、空気ブロア３２など）の作動を制御するためにコントローラ６０が設けられ、このコントローラ６０は後述する如く上記各種構成要素を作動制御する。このコントローラ６０は、作動制御手段６２、差圧補正演算手段６４、混合割合演算手段６６、燃料ガス流量演算手段６８及び水流量演算手段７０を含んでいる。作動制御手段６２は、燃料電池システム２の各種構成要素を後述する如く作動制御し、差圧補正演算手段６４は、差圧計測手段５４の差圧計測値を温度検知手段５６の検知温度温度に基づいて温度補正し、この温度補正は、図４に示す混合ガスの温度とその差圧値（差圧計測手段５４の計測値）との関係、即ち差圧−温度テーブル７８に基づいて温度補正する。また、混合割合演算手段６６は、差圧計測手段６４及び温度検知手段５６の計測値、具体的には差圧補正手段６４により温度補正された補正差圧値を用い、図３に示す差圧計測手段５４の差圧値と混合ガスのメタンの濃度（含有割合）との関係、即ちメタン濃度−差圧テーブル７６に基づいてメタン含有割合を演算し、また燃料ガス流量演算手段６８は、差圧計測手段５４、温度検知手段５６及び熱式質量流量計５２の計測値、具体的には混合割合演算手段６６により演算されたメタン含有割合値を用い、混合ガスの流量（換言すると、混合ガスの熱量）を演算する。
【００３９】
一般に、メタンと炭酸ガスとの混合ガスを原燃料ガスとして用いる場合、混合ガス（原燃料ガス）の流量と燃料電池セルスタック６のセル積層数（Ｎ）及びその発電電流（Ｉ）との関係は、次の数式（１）に示す通りである。
【００４０】
【数１】
ここで、数式（１）における「ＵＦ」は燃料利用率（通常、０．７〜０．８の値となる）であり、「ＸＣＨ４」は原燃料ガス（混合ガス）中のメタンの割合（メタン発酵ガスにおいては、通常、０．５〜０．８の値となる）であり、数字の「８」はメタンの反応電子数であり、また数字の「９６４８５」はファラディ定数である。
【００４１】
燃料電池セルスタック６の発電電流及びこの燃料電池セルスタック６での燃料利用率を設定して燃料電池システムを稼働運転したときの必要な原燃料ガス（混合ガス）流量は、この数式（１）を用いて演算することができる。一方、燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガスの流量は、熱式質量流量計５２、差圧計測手段５４及び温度検知手段５６の計測値を用いて上述したように演算することができる。従って、燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガスの流量が数式（１）を用いて演算される必要な原燃料ガス流量となるように、例えば燃料用ポンプ２８の回転数を作動制御することによって、設定発電電流及び設定燃料利用率を得るに必要な原燃料ガスが燃料電池セルスタック６に供給されることになる。尚、燃料用ポンプ２８の回転数を制御することに代えて、燃料ガス供給流路８に流量制御弁を配設し、この流量制御弁の開度を調整することによって、燃料ガスの供給量を制御するようにしてもよい。
【００４２】
このようにして燃料電池セルスタック６に送給される原燃料ガスの流量が制御されると、これに対応して改質用水の流量も制御するのが望ましい。改質用水の流量は、原燃料ガス（混合ガス）中のメタンのモル量の所定倍（通常、２．０〜３．０倍）になるように原燃料ガスの流量に比例した流量に制御され、この流量制御は、例えば水用ポンプ３０の回転数を作動制御することによって行われる。尚、このような構成に代えて、水供給流路１８に流量制御弁を配設し、この流量制御弁の開度を調整することによって、水の供給量を制御するようにしてもよい。
【００４３】
また、このコントローラ６０はメモリ手段７２を含み、このメモリ手段７２にメタン濃度−差圧テーブル７６及び差圧−温度テーブル７８が登録され、燃料ガス供給流路８を流れる原燃料ガスの流量を演算するとき、このメモリ手段７２に登録されたメタン濃度−差圧テーブル７６及び差圧−温度テーブル７８が用いられる。
【００４４】
次に、上述した燃料電池システム２の発電運転について説明する。燃料ガス供給源１６としてのメタン発酵システム４４において、メタン発酵槽４６におけるメタン発酵処理によってメタン発酵ガス（メタンと炭酸ガスとの混合ガス）が発生し、かく発生した混合ガスは不純物除去槽４８にて不純物が除去され、更に乾燥槽５０にて水分が除去され、かく処理された混合ガスが原燃料ガスとして燃料ガス供給流路８に供給される。
【００４５】
メタン発酵システム４４から供給された混合ガス（原燃料ガス）は燃料ガス供給流路８を通して気化器１２に供給され、また改質用の水は水供給流路１８を通して気化器１２に供給され、気化器１２にて気化された水蒸気は、混合ガスとともに改質器４に送給される。改質器４においては、混合ガス（これに含まれたメタン）が水蒸気により水蒸気改質され、水蒸気改質された混合ガスが改質燃料ガス送給流路１４を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。
【００４６】
また、空気ブロア３２からの空気は、空気供給流路１０を通して燃料電池セルスタック６の酸素極側に供給され、空気供給流路１０を通して流れる間に、空気余熱器３８にて排気ガス排出流路３６を通して排出される排気ガスとの間で熱交換され、この熱交換によって加温された空気が空気燃料電池セルスタック６に送給される。
【００４７】
燃料電池セルスタック６においては、燃料極側に送給された改質混合ガスと酸素極側に送給された空気との酸化及び還元により発電が行われ、この発電によって発電電流が得られる。この燃料電池セルスタック６においては、混合ガス（それに含まれたメタン）は設定の燃料利用率となるように消費され、残余の改質混合ガスは、燃料電池セルスタック６の燃料極側から燃焼室３４に排出され、この燃焼室にて燃料電池セルスタック６の空気極側から排出された空気により燃焼され、燃焼排気ガスが排気ガス排出流路３６を通して大気中に排出される。
【００４８】
このとき、燃料ガス供給流路８を通して供給される混合ガス（原燃料ガス）の流量は、熱式質量流量計５２、差圧計測手段５４及び温度検知手段５６の計測値に基づいて、次のようにして制御される。即ち、差圧計測手段５４は燃料ガス供給流路８を流れる混合ガスの差圧を計測し、温度検知手段５６はこの混合ガスの温度を検知し、コントローラ６０の差圧補正演算手段６４は、温度検知手段５６の検知温度に基づいて差圧計測手段５４の計測値を補正し、混合割合演算手段６６は、この温度補正された差圧値に基づいて混合ガス中のメタンの含有割合を演算する。また、熱式質量流量計５２は燃料ガス供給流路８を流れる混合ガスの流量を検知する。そして、作動制御手段６２は、この熱式質量流量計５２による混合ガスの流量が上記式（１）により演算した原燃料ガス（混合ガス）流量となるように燃料ガス用ポンプ２８を作動制御し、このように燃料ガス用ポンプ２８を作動制御することによって、混合ガス中のメタンの含有割合が変動しても、設定燃料利用率でもって設定発電電流を得るように燃料電池セルスタック６を安定して稼働運転することができる。また、水流量演算手段７０は、燃料ガス流量演算手段６８による混合ガス流量値及び混合割合演算手段６６によるメタンの０混合割合に基づき、メタンのモル量の所定倍になるように流量を演算し、作動制御手段６２は、水供給流路１８を通して供給される改質用水の流量が水流量演算手段７０による流量となるよう水用ポンプ３０を作動制御し、このように水用ポンプ３０を作動制御することによって、混合ガス中のメタンを水蒸気改質するのに適量の水を安定して供給することができる。
【００４９】
以上、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態ついて説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
〔実施例及び比較例〕
燃料電池システムとして固体酸化物形燃料電池システムを用い、燃料ガス供給流路に供給される原燃料ガス（混合ガス）の組成がメタン６０％、炭酸ガス４０％と調整し、設定燃料利用率を０．７５として流量を決定した場合において、メタンの含有割合（濃度）がが経時的に変化したときの燃料電池セルスタックの実効の燃料利用率を比較すると、その結果は、表１に示す通りとなった。
【００５０】
実施例として、図１の燃料電池システムの燃料ガス供給流路に熱式質量流量計と差圧計測手段の双方を配設し、熱式質量流量計と差圧計測手段の双方の計測値を用いた演算結果に基づいて燃料電池セルスタックの発電電流と燃料ガス流量を制御した。
【００５１】
また、比較例として、実施例の差圧計測手段を省略し、図１の燃料電池システムの燃料ガス供給流路に熱式質量流量計のみを配設し、熱式質量流量計の計測値を用いた演算結果に基づいて燃料電池セルスタックの発電電流と燃料ガス流量を制御した。
【００５２】
【表１】
比較例では、メタンの濃度が６０％から５０％に変動すると、実効の燃料利用率は９０％に上昇し、短時間で発電の継続が困難となる。これに対して、実施例では、メタンの濃度が変動しても、この変動に自動的に追従して燃料ガスの流量設定が変わるために、常に設定すべき燃料利用率が７５％に保たれ、設定の燃料利用率での長期にわたる安定した稼働が可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
２ 燃料電池システム
４ 改質器
６ 燃料電池セルスタック
８ 燃料ガス供給流路
１０ 空気供給流路
１２ 気化器
１６ 燃料ガス供給源
１８ 水供給流路
４４ メタン発酵処理システム
５２ 熱式質量流量計
５４ 差圧計測手段
５６ 温度検知手段
６０ コントローラ
６４ 差圧補正演算手段
６６ 混合割合演算手段
６８ 燃料ガス流量演算手段
７０ 水流量演算手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための燃料電池セルスタックと、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、を備えた燃料電池システムであって、
原燃料ガスとしてメタン及び炭酸ガスの混合ガスが用いられ、前記燃料供給流路には熱式質量流量計及び差圧測定手段が配設され、前記熱式質量流量計は前記燃料供給流路を流れる前記混合ガスの流量を計測し、前記差圧測定手段は前記燃料供給流路を流れる前記混合ガスの差圧を計測し、前記熱式質量流量計及び前記差圧計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池セルスタックの発電電流及び前記燃料供給流路を通して供給される前記混合ガスの流量が制御されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器には、原燃料ガスを改質するために用いる水を供給するための水供給流路が接続されており、前記熱式質量流量計及び前記差圧計測手段の計測値に基づいて、前記水供給流路を通して供給される水の流量が制御され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。
【請求項３】
前記差圧計測手段に関連して、前記燃料供給流路を流れる前記混合ガスの温度を検知するための温度検知手段が設けられており、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、前記差圧計測手段の計測値が温度補正されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池セルスタックが、固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池セルスタックが断熱材で覆われた燃料電池ハウジング内に格納されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための燃料電池セルスタックと、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、を備えた燃料電池システムであって、
原燃料ガスとしてメタン及び炭酸ガスの混合ガスが用いられ、前記燃料供給流路には熱式質量流量計及び差圧測定手段が配設され、前記熱式質量流量計は前記燃料供給流路を流れる前記混合ガスの流量を計測し、前記差圧測定手段は前記燃料供給流路を流れる前記混合ガスの差圧を計測し、前記熱式質量流量計及び前記差圧計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池セルスタックの発電電流及び前記燃料供給流路を通して供給される前記混合ガスの流量が制御されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器には、原燃料ガスを改質するために用いる水を供給するための水供給流路が接続されており、前記熱式質量流量計及び前記差圧計測手段の計測値に基づいて、前記水供給流路を通して供給される水の流量が制御され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。
【請求項３】
前記差圧計測手段に関連して、前記燃料供給流路を流れる前記混合ガスの温度を検知するための温度検知手段が設けられており、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、前記差圧計測手段の計測値が温度補正されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池セルスタックが、固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池セルスタックが断熱材で覆われた燃料電池ハウジング内に格納されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２７２２１３（Ｐ２０１０−２７２２１３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２０４８１（Ｐ２００９−１２０４８１）
【出願日】平成２１年５月１９日（２００９．５．１９）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１９日（２００９．５．１９）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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