(57)【要約】【課題】効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出を効果的に抑制することができる燃料電池システム、制御装置、及びプログラムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、炭化水素と二酸化炭素とを含むバイオガスＧ１、及び、炭化水素を改質させる水Ｗａが供給される改質器２２を備えた燃料電池２０と、燃料電池２０の運転を制御する制御装置３０と、を備える。制御装置３０は、燃料電池２０における炭素の析出のし易さを示す炭素活量Ａｃが予め定められた範囲に収まる水Ｗａの量を決定する水供給量決定部３２Ｃを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素と二酸化炭素とを含む第１燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、
前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器は、前記改質剤として水を用いた場合、前記炭化水素と前記二酸化炭素との第１改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、前記炭化水素と前記水との第２改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、さらに、前記一酸化炭素と前記水との第３改質反応により二酸化炭素と水素を生成する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記炭化水素、前記水、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、及び前記水素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（Ｈ２Ｏ）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、及びｐ（Ｈ２）は、前記第１改質反応における反応比率をｗ、前記第２改質反応における反応比率をｙ、前記第３改質反応における反応比率をｚ、前記改質器に供給される前記第１燃料ガスの単位時間当たりの流量をＡ、前記第１燃料ガスにおける炭化水素の濃度をｃ、前記第１燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をｄ、前記水の供給量をＨとした場合、
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ）×（１−ｗ−ｙ）
ｐ（Ｈ２Ｏ）＝Ｈ−（ｃ×Ａ）×（ｙ＋ｚ）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋ｙ−ｚ）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ）×（ｗ−ｚ）
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋３ｙ＋ｚ）
で表わされ、
前記第１改質反応、前記第２改質反応、及び前記第３改質反応の各々における平衡定数Ｋ１、Ｋ２、及びＫ３は、
Ｋ１＝ｐ（Ｈ２）２×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（ＣＯ２）
Ｋ２＝ｐ（Ｈ２）３×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（Ｈ２Ｏ）
Ｋ３＝ｐ（ＣＯ２）×ｐ（Ｈ２）／ｐ（ＣＯ）／ｐ（Ｈ２Ｏ）
で表わされ、
前記炭素活量をＡｃ、前記燃料電池の炭素析出反応における平衡定数をＫ４とした場合、
Ａｃ＝Ｋ４×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＯ２）
で表わされ、
前記決定部は、前記水の供給量Ｈの候補値を変化させて、当該変化に応じて導出される前記反応比率ｗ、ｙ、ｚに基づいて、前記分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ２）の各々の値を導出し、導出した各々の値から求まる前記炭素活量Ａｃが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記水の供給量Ｈとして決定する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質器は、さらに、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第２燃料ガスが供給され、
前記分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（Ｈ２Ｏ）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、及びｐ（Ｈ２）は、前記改質器に供給される前記第２燃料ガスの単位時間当たりの流量をＢとした場合、
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（１−ｗ−ｙ）
ｐ（Ｈ２Ｏ）＝Ｈ−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（ｙ＋ｚ）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋ｙ−ｚ）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（ｗ−ｚ）
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋３ｙ＋ｚ）
で表わされる請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質器は、前記改質剤として空気中の酸素を用いた場合、前記炭化水素と前記二酸化炭素との第１改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、前記炭化水素と前記酸素との第４改質反応により水素と一酸化炭素を生成する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記炭化水素、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、前記水素、及び前記酸素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、ｐ（Ｈ２）、及びｐ（Ｏ２）は、前記第１改質反応における反応比率をｗ、前記第４改質反応における反応比率をｖ、前記改質器に供給される前記第１燃料ガスの単位時間当たりの流量をＡ、前記第１燃料ガスにおける炭化水素の濃度をｃ、前記第１燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をｄ、前記酸素の供給量をλとした場合、
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ）×（１−ｗ−ｖ）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋ｖ）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ）×ｗ
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋２ｖ）
ｐ（Ｏ２）＝λ−（ｃ×Ａ）×０．５ｖ
で表わされ、
前記第１改質反応及び前記第４改質反応の各々における平衡定数Ｋ１、Ｋ５は、
Ｋ１＝ｐ（Ｈ２）２×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（ＣＯ２）
Ｋ５＝ｐ（Ｈ２）２×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（Ｏ２）０．５
で表わされ、
前記炭素活量をＡｃ、前記燃料電池の炭素析出反応における平衡定数をＫ４とした場合、
Ａｃ＝Ｋ４×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＯ２）
で表わされ、
前記決定部は、前記酸素の供給量λの候補値を変化させて、当該変化に応じて導出される前記反応比率ｗ、ｖに基づいて、前記分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ２）の各々の値を導出し、導出した各々の値から求まる前記炭素活量Ａｃが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記酸素の供給量λとして決定する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記改質器は、さらに、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第２燃料ガスが供給され、
前記分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、ｐ（Ｈ２）、及びｐ（Ｏ２）は、前記改質器に供給される前記第２燃料ガスの単位時間当たりの流量をＢとした場合、
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（１−ｗ−ｖ）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋ｖ）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×ｗ
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋２ｖ）
ｐ（Ｏ２）＝λ−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×０．５ｖ
で表わされる請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記第１燃料ガスの供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第１指標、及び、前記第１燃料ガスと前記第２燃料ガスとの両方の供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第２指標に基づいて、前記改質器に前記第２燃料ガスを供給するか否かを判定する判定部をさらに備えた請求項４又は７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記判定部は、前記改質器に前記第２燃料ガスを供給するか否かの判定を、前記改質器に供給される前記第１燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合に行う請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１指標及び前記第２指標の各々の値は、前記燃料電池の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となり、
前記判定部は、前記第１指標の値が前記第２指標の値以上であり、かつ、前記第１指標の値が正の値である場合、前記改質器に前記第１燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定し、前記第２指標の値が前記第１指標の値よりも大きく、かつ、前記第２指標の値が正の値である場合、前記改質器に、前記第１燃料ガス及び前記第２燃料ガスの両方、又は、前記第２燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定する請求項８又は９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第１指標の値Ｉｎ１は、前記改質器に供給される前記第１燃料ガスの単位流量当たりの熱量をα、単位流量当たりの購入価格をε、前記燃料電池の部分負荷運転時における発電効率をη１、及び前記第１燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｍとした場合、
Ｉｎ１＝（η１×α×Ａ×ｍ）−（ε×Ａ）
で表わされ、
前記第２指標の値Ｉｎ２は、前記改質器に供給される前記第２燃料ガスの単位流量当たりの熱量をβ、単位流量当たりの購入価格をσ、前記燃料電池の定格運転時における発電効率をη２、及び前記第２燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｎとした場合、
Ｉｎ２＝（η２×α×Ａ×ｍ）＋（η２×β×Ｂ×ｎ）−（ε×Ａ＋σ×Ｂ）
で表わされる請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
炭化水素と二酸化炭素とを含む第１燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池の運転を制御する制御装置であって、
前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備えた制御装置。
【請求項１３】
コンピュータを、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムが備える制御装置として機能させるプログラム。
【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、制御装置、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能エネルギーを用いて発電した電力を一定価格で電力会社が買い取る固定価格買取制度（ＦＩＴ:Feed-in Tariff）の導入により、バイオガスを燃料とした発電が注目されている。ここでいうバイオガスとは、動植物に由来する有機性廃棄物をメタン発酵させることで発生する可燃性ガスを意味する。バイオガスの代表的な組成は、メタン（ＣＨ４）が約６０％、二酸化炭素（ＣＯ２）が約４０％であるが、組成は一定ではない。
【０００３】
従来、バイオガスを燃料とした発電には、主にガスエンジンが利用されているが、ガスエンジンは、燃料の組成比の変化に対応し難い。このため、バイオガス及び都市ガスを混焼することで対応する場合がある。また、バイオガスの供給量は安定していないことが多く、バイオガスのみでは安定して発電することが難しい場合がある。この場合、都市ガスを併用することで安定して発電することができる。
【０００４】
上記のガスエンジン以外の発電手段として、ガスエンジンよりも発電効率の高い固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ: Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ: Molten Carbonate Fuel Cell）等の高温型燃料電池を用いた技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、バイオガス中の不純物である二酸化炭素を除去し、ガスホルダに溜めることで、安定的にバイオガスを供給し、燃料電池で発電する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、バイオガスを吸着貯蔵させ、バイオガス中の二酸化炭素を除去せず、二酸化炭素をバイオガスの改質に利用する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−８１９８９号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９３０４号公報
【特許文献３】特開２００８−１５３１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
バイオガス中の二酸化炭素を改質に利用する場合、効率的な運転が可能となるが、一方で、バイオガス中のメタンの組成比は、二酸化炭素の組成比よりも大きいため、平衡上炭素が析出してしまう虞がある。また、バイオガス中の二酸化炭素を考慮せず、都市ガス燃料を主とする一般的な燃料電池システムに供給した場合には、過剰な酸化剤供給により発電効率の低下を引き起こす可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出を効果的に抑制することができる燃料電池システム、制御装置、及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、炭化水素と二酸化炭素とを含む第１燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備えたものである。
【００１１】
この燃料電池システムによれば、炭素活量が予め定められた範囲に収まる改質剤の量を決定するため、炭素活量の範囲を規定することなく改質剤の量を決定する場合と比べ、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器が、前記改質剤として水を用いた場合、前記炭化水素と前記二酸化炭素との第１改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、前記炭化水素と前記水との第２改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、さらに、前記一酸化炭素と前記水との第３改質反応により二酸化炭素と水素を生成するものである。
【００１３】
この燃料電池システムによれば、改質剤として水を用いて第１燃料ガスを改質させて水素を生成する場合においても、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記炭化水素、前記水、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、及び前記水素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（Ｈ２Ｏ）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、及びｐ（Ｈ２）が、前記第１改質反応における反応比率をｗ、前記第２改質反応における反応比率をｙ、前記第３改質反応における反応比率をｚ、前記改質器に供給される前記第１燃料ガスの単位時間当たりの流量をＡ、前記第１燃料ガスにおける炭化水素の濃度をｃ、前記第１燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をｄ、前記水の供給量をＨとした場合、
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ）×（１−ｗ−ｙ）
ｐ（Ｈ２Ｏ）＝Ｈ−（ｃ×Ａ）×（ｙ＋ｚ）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋ｙ−ｚ）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ）×（ｗ−ｚ）
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋３ｙ＋ｚ）
で表わされ、
前記第１改質反応、前記第２改質反応、及び前記第３改質反応の各々における平衡定数Ｋ１、Ｋ２、及びＫ３が、
Ｋ１＝ｐ（Ｈ２）２×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（ＣＯ２）
Ｋ２＝ｐ（Ｈ２）３×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（Ｈ２Ｏ）
Ｋ３＝ｐ（ＣＯ２）×ｐ（Ｈ２）／ｐ（ＣＯ）／ｐ（Ｈ２Ｏ）
で表わされ、
前記炭素活量をＡｃ、前記燃料電池の炭素析出反応における平衡定数をＫ４とした場合、
Ａｃ＝Ｋ４×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＯ２）
で表わされ、
前記決定部が、前記水の供給量Ｈの候補値を変化させて、当該変化に応じて導出される前記反応比率ｗ、ｙ、ｚに基づいて、前記分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ２）の各々の値を導出し、導出した各々の値から求まる前記炭素活量Ａｃが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記水の供給量Ｈとして決定するものである。
【００１５】
この燃料電池システムによれば、改質反応における各成分の平衡状態での分圧及び平衡定数、さらに、炭素析出反応における炭素活量及び平衡定数に基づいて、炭素活量が予め定められた範囲に収まる水の供給量を決定することができるため、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
【００１６】
また、請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器が、さらに、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第２燃料ガスが供給され、
前記分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（Ｈ２Ｏ）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、及びｐ（Ｈ２）が、前記改質器に供給される前記第２燃料ガスの単位時間当たりの流量をＢとした場合、
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（１−ｗ−ｙ）
ｐ（Ｈ２Ｏ）＝Ｈ−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（ｙ＋ｚ）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋ｙ−ｚ）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（ｗ−ｚ）
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋３ｙ＋ｚ）
で表わされるものである。
【００１７】
この燃料電池システムによれば、第１燃料ガスに加えて、さらに第２燃料ガスを改質器に供給し、水により改質を行う場合でも、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
【００１８】
また、請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器が、前記改質剤として空気中の酸素を用いた場合、前記炭化水素と前記二酸化炭素との第１改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、前記炭化水素と前記酸素との第４改質反応により水素と一酸化炭素を生成するものである。
【００１９】
この燃料電池システムによれば、改質剤として空気中の酸素を用いて第１燃料ガスを改質させて水素を生成する場合においても、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
【００２０】
また、請求項６に記載の燃料電池システムは、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記炭化水素、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、前記水素、及び前記酸素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、ｐ（Ｈ２）、及びｐ（Ｏ２）が、前記第１改質反応における反応比率をｗ、前記第４改質反応における反応比率をｖ、前記改質器に供給される前記第１燃料ガスの単位時間当たりの流量をＡ、前記第１燃料ガスにおける炭化水素の濃度をｃ、前記第１燃料ガスにおける二酸化炭素の濃度をｄ、前記酸素の供給量をλとした場合、
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ）×（１−ｗ−ｖ）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋ｖ）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ）×ｗ
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋２ｖ）
ｐ（Ｏ２）＝λ−（ｃ×Ａ）×０．５ｖ
で表わされ、
前記第１改質反応及び前記第４改質反応の各々における平衡定数Ｋ１、Ｋ５が、
Ｋ１＝ｐ（Ｈ２）２×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（ＣＯ２）
Ｋ５＝ｐ（Ｈ２）２×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（Ｏ２）０．５
で表わされ、
前記炭素活量をＡｃ、前記燃料電池の炭素析出反応における平衡定数をＫ４とした場合、
Ａｃ＝Ｋ４×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＯ２）
で表わされ、
前記決定部が、前記酸素の供給量λの候補値を変化させて、当該変化に応じて導出される前記反応比率ｗ、ｖに基づいて、前記分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ２）の各々の値を導出し、導出した各々の値から求まる前記炭素活量Ａｃが前記予め定められた範囲に収まる前記候補値を前記酸素の供給量λとして決定するものである。
【００２１】
この燃料電池システムによれば、改質反応における各成分の平衡状態での分圧及び平衡定数、さらに、炭素析出反応における炭素活量及び平衡定数に基づいて、炭素活量が予め定められた範囲に収まる空気中の酸素の供給量を決定することができるため、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
【００２２】
また、請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器が、さらに、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第２燃料ガスが供給され、
前記分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、ｐ（Ｈ２）、及びｐ（Ｏ２）が、前記改質器に供給される前記第２燃料ガスの単位時間当たりの流量をＢとした場合、
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（１−ｗ−ｖ）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋ｖ）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×ｗ
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋２ｖ）
ｐ（Ｏ２）＝λ−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×０．５ｖ
で表わされるものである。
【００２３】
この燃料電池システムによれば、第１燃料ガスに加えて、さらに第２燃料ガスを改質器に供給し、空気中の酸素により改質を行う場合でも、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
【００２４】
また、請求項８に記載の燃料電池システムは、請求項４又は７に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置が、前記第１燃料ガスの供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第１指標、及び、前記第１燃料ガスと前記第２燃料ガスとの両方の供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第２指標に基づいて、前記改質器に前記第２燃料ガスを供給するか否かを判定する判定部をさらに備えたものである。
【００２５】
この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転時における経済性を考慮せずに改質器に第２燃料ガスを供給する場合と比べ、燃料電池をより経済的に運転することができ、高い経済性を実現することができる。
【００２６】
また、請求項９に記載の燃料電池システムは、請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、前記判定部が、前記改質器に前記第２燃料ガスを供給するか否かの判定を、前記改質器に供給される前記第１燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合に行うものである。
【００２７】
この燃料電池システムによれば、改質器に供給される第１燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合における経済性を考慮せずに改質器に第２燃料ガスを供給する場合と比べ、燃料電池の運転において、より一層の経済性の向上を図ることができる。
【００２８】
また、請求項１０に記載の燃料電池システムは、請求項８又は９に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１指標及び前記第２指標の各々の値が、前記燃料電池の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となり、前記判定部が、前記第１指標の値が前記第２指標の値以上であり、かつ、前記第１指標の値が正の値である場合、前記改質器に前記第１燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定し、前記第２指標の値が前記第１指標の値よりも大きく、かつ、前記第２指標の値が正の値である場合、前記改質器に、前記第１燃料ガス及び前記第２燃料ガスの両方、又は、前記第２燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定するものである。
【００２９】
この燃料電池システムによれば、経済性を示す２つの指標の値を比較し、かつ、２つの指標の値の正負を判定することで、経済性の観点から改質器に第２燃料ガスを供給するか否かを判定できるため、燃料電池の運転において、より一層の経済性の向上を図ることができる。
【００３０】
また、請求項１１に記載の燃料電池システムは、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１指標の値Ｉｎ１が、前記改質器に供給される前記第１燃料ガスの単位流量当たりの熱量をα、単位流量当たりの購入価格をε、前記燃料電池の部分負荷運転時における発電効率をη１、及び前記第１燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｍとした場合、
Ｉｎ１＝（η１×α×Ａ×ｍ）−（ε×Ａ）
で表わされ、
前記第２指標の値Ｉｎ２が、前記改質器に供給される前記第２燃料ガスの単位流量当たりの熱量をβ、単位流量当たりの購入価格をσ、前記燃料電池の定格運転時における発電効率をη２、及び前記第２燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｎとした場合、
Ｉｎ２＝（η２×α×Ａ×ｍ）＋（η２×β×Ｂ×ｎ）−（ε×Ａ＋σ×Ｂ）
で表わされるものである。
【００３１】
この燃料電池システムによれば、経済性を示す２つの指標の値を、加算、減算、及び乗算のみの簡単な計算式で導出することができるため、経済性を判定する処理をより迅速に行うことができる。
【００３２】
一方、上記目的を達成するために、請求項１２に記載の制御装置は、炭化水素と二酸化炭素とを含む第１燃料ガス、及び、前記炭化水素を改質させる改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池の運転を制御する制御装置であって、前記燃料電池における炭素の析出のし易さを示す炭素活量が予め定められた範囲に収まる前記改質剤の量を決定する決定部を備えたものである。
【００３３】
さらに、上記目的を達成するために、請求項１３に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムが備える制御装置として機能させるものである。
【００３４】
上記の制御装置及びプログラムの各々によれば、炭素活量が予め定められた範囲に収まる改質剤の量を決定するため、炭素活量の範囲を規定することなく改質剤の量を決定する場合と比べ、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上詳述したように、本発明によれば、効率低下を最小限に抑えつつ、炭素の析出を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係るプログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態に係るプログラムによる水供給量決定処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態に係る水供給量決定部による処理内容の一例の説明に供する模式図である。
【図５】第１の実施形態に係る経済性判定部による処理内容の一例の説明に供する模式図である。
【図６】第２の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【図７】第２の実施形態に係るプログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。
【００３８】
[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成の一例を示すブロック図である。
第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、制御装置３０と、燃料ガス供給装置４０と、を備える。燃料電池２０は、改質器２２と、スタック（燃料電池本体）２４と、燃焼器２６と、を備える。これら改質器２２、スタック２４、及び燃焼器２６は、ホットボックス内に収容されている。
【００３９】
改質器２２は、スタック２４の前段に配置されている。この改質器２２には、燃料ガス供給装置４０を介して、バイオガスＧ１が供給される。バイオガスＧ１は、炭化水素及び二酸化炭素を含む第１燃料ガスの一例である。また、改質器２２には、燃料ガス供給装置４０を介して、さらに都市ガスＧ２を供給してもよい。都市ガスＧ２は、炭化水素を含む第２燃料ガスの一例である。第２燃料ガスの炭化水素の組成比は、第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる。この例の場合、第２燃料ガスの炭化水素の組成比は、第１燃料ガスの炭化水素の組成比よりも大きい。バイオガスＧ１の代表的な組成は、炭化水素の一例であるメタン（ＣＨ４）が約６０％、二酸化炭素（ＣＯ２）が約４０％である。一方、都市ガスＧ２の組成は、１３Ａガスの場合、約９０％がメタンである。
【００４０】
改質器２２は、二酸化炭素改質用の触媒を有する。この触媒には、例えば、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の貴金属触媒やＮｉ系触媒が用いられる。この触媒の作用により、バイオガスＧ１中の二酸化炭素を利用してメタンを二酸化炭素改質し、一酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する。この改質器２２における二酸化炭素改質反応は、下記式（１）の通りである。なお、外部から二酸化炭素を供給して、メタンを二酸化炭素改質してもよい。なお、式（１）は、第１改質反応の一例を示す。
【００４１】
ＣＨ４＋ＣＯ２  →  ２Ｈ２＋２ＣＯ  …（１）
【００４２】
スタック２４には、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用される。このスタック２４は、積層された複数のセルを有している。各セルは、燃料極、電解質層、及び空気極を有している。各セルの燃料極には、改質器２２にて生成された改質ガスが供給され、各セルの空気極には、空気（酸化剤ガス）が供給される。
【００４３】
空気極では、下記式（２）で示されるように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。
【００４４】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ−  →  Ｏ２−  …（２）
【００４５】
一方、燃料極では、下記式（３）及び式（４）で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気、二酸化炭素、及び電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各セルにおいて発電される。また、各セルは、発電時に以上の電気化学反応に伴って発熱する。
【００４６】
(燃料極反応)
Ｈ２＋Ｏ２−  →  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−   …（３）
ＣＯ＋Ｏ２−  →  ＣＯ２＋２ｅ−  …（４）
【００４７】
この燃料極で発生するガス（以下、アノードオフガスという。）には、燃料極反応にて生成された水蒸気及び二酸化炭素の他に、改質器２２にて生成されスタック２４の燃料極で未反応の水素及び一酸化炭素が含まれる。燃料電池２０内を流通するアノードオフガスの温度は、例えば、２００℃以上８００℃以下である。
【００４８】
燃焼器２６は、スタック２４の後段に配置されている。この燃焼器２６には、スタック２４の空気極から排出されたガス（以下、カソードオフガスという。）が供給されると共に、スタック２４の燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される。アノードオフガスには、上述の通り、スタック２４の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれており、燃焼器２６は、酸素を含むカソードオフガスを利用してアノードオフガスを燃焼する。この燃焼器２６の燃焼に伴い生成された燃焼排ガスは、燃料電池２０の外部に排出される。
【００４９】
なお、本実施形態では、バイオガスＧ１に含まれる二酸化炭素を改質に利用するため、効率的である。しかし一方で、この二酸化炭素改質反応は、上記式（１）に示すように、等モル反応であるため、平衡上メタンが余剰となり、炭素が析出する虞がある。この炭素の析出を抑制するために、本第１の実施形態では、改質器２２に対して、さらに、水（Ｈ２Ｏ）Ｗａを供給する。水Ｗａは、改質剤の一例である。この水Ｗａの供給により、余剰分のメタンを改質させ、炭素の析出を抑制することができる。改質器２２に水Ｗａを供給した場合の改質反応は、下記式（５）及び式（６）の通りである。なお、式（５）は第２改質反応の一例を示し、式（６）は第３改質反応の一例を示す。
【００５０】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →  ３Ｈ２＋ＣＯ  …（５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２    …（６）
【００５１】
一方、制御装置３０は、燃料電池２０の運転を制御する。制御装置３０は、演算部３２及び記憶部３４を含む電子回路によって構成されている。記憶部３４には、燃料電池２０における炭素の析出を抑制可能な水Ｗａの供給量を決定し、決定結果に基づいて水Ｗａの供給量を制御するためのプログラム３４Ａが予め記憶されている。また、プログラム３４Ａは、燃料電池２０を運転した場合の経済性を判定し、判定結果に基づいて燃料電池２０の運転を制御する機能を実現してもよい。プログラム３４Ａは、例えば、制御装置３０に予めインストールされていてもよい。プログラム３４Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又は、ネットワークを介して配布して、制御装置３０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ(Compact Disc Read Only Memory)、光磁気ディスク、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)、ＤＶＤ-ＲＯＭ(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、フラッシュメモリ、メモリカード等が挙げられる。
【００５２】
演算部３２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)を含み、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行することにより、流量判定部３２Ａ、熱量計算部３２Ｂ、水供給量決定部３２Ｃ、経済性判定部３２Ｄ、及び運転制御部３２Ｅとして機能する。なお、経済性判定部３２Ｄが流量判定部３２Ａ及び熱量計算部３２Ｂの機能を有していてもよく、この場合、流量判定部３２Ａ及び熱量計算部３２Ｂは不要となる。
【００５３】
ところで、上述したように、バイオガスＧ１中の二酸化炭素を改質に利用する場合、効率的な運転が可能となるが、炭素が析出してしまう虞がある。炭素の析出は、例えば、改質器に用いる触媒を失活させる可能性があり望ましくない。
【００５４】
これに対して、本第１の実施形態に係る水供給量決定部３２Ｃは、燃料電池２０における炭素の析出のし易さを示す炭素活量Ａｃが予め定められた範囲に収まる水Ｗａの量を決定する。水供給量決定部３２Ｃは、決定部の一例である。なお、予め定められた範囲とは、一例として、０（ゼロ）よりも大きく１よりも小さい範囲（０＜Ａｃ＜１）である。炭素活量Ａｃが大きいほど、炭素が析出し易いとされる。燃料電池２０における炭素析出反応は、一例として下記式（７）により示される。この水供給量決定部３２Ｃについては後述する。
【００５５】
２ＣＯ  →  Ｃ＋ＣＯ２  …（７）
【００５６】
一方、バイオガスＧ１を安定的に供給することは難しいため、都市ガスＧ２を併用することで、メタンを安定的に供給することが可能となる。しかし一方で、バイオガスＧ１の供給量が減少した場合等において、経済性の観点から、都市ガスＧ２を併用せずに、バイオガスＧ１を単独で供給し続けたほうが高い経済性が得られる場合がある。
【００５７】
そこで、本実施形態に係る経済性判定部３２Ｄは、第１指標及び第２指標に基づいて、燃料電池２０に都市ガスＧ２を供給するか否かを判定する。経済性判定部３２Ｄは、判定部の一例である。第１指標は、バイオガスＧ１の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す。第２指標は、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す。第１指標及び第２指標の各々は、経済性、すなわち、費用に対する収益の度合いを示す指標である。この経済性判定部３２Ｄについては後述する。
【００５８】
運転制御部３２Ｅは、経済性判定部３２Ｄの判定結果に従って、燃料電池２０に供給されるバイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の各々の流量（供給量）を制御する。なお、燃料電池２０に供給されるバイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の各々の流量は、運転制御部３２Ｅが燃料ガス供給装置４０を制御することで調整される。
【００５９】
すなわち、燃料ガス供給装置４０は、バイオガスＧ１の供給経路５０に設けられた第１バルブ４１と、都市ガスＧ２の供給経路５２に設けられた第２バルブ４２と、を備える。これら第１バルブ４１及び第２バルブ４２の各々の開度は、運転制御部３２Ｅにより制御される。つまり、バイオガスＧ１の流量は、運転制御部３２Ｅが燃料ガス供給装置４０の第１バルブ４１の開度を制御することにより調整される。同様に、都市ガスＧ２の流量は、運転制御部３２Ｅが燃料ガス供給装置４０の第２バルブ４２の開度を制御することにより調整される。
【００６０】
また、バイオガスＧ１の供給経路５０には、燃料ガス供給装置４０と燃料電池２０との間に濃度計Ｃｍ及び流量計Ｆｍ１が設けられている。濃度計Ｃｍは、バイオガスＧ１に含まれるメタンの濃度ｃ[％]（及び二酸化炭素の濃度ｄ[％]）を各々計測する。流量計Ｆｍ１は、バイオガスＧ１の流量を計測する。また、都市ガスＧ２の供給経路５２には、燃料ガス供給装置４０と燃料電池２０との間に流量計Ｆｍ２が設けられている。流量計Ｆｍ２は、都市ガスＧ２の流量を計測する。
【００６１】
一方、水Ｗａの供給経路５４には、第３バルブ４３が設けられている。水Ｗａの供給経路５４には、流量計Ｆｍ３が設けられている。水Ｗａの供給量は、運転制御部３２Ｅが第３バルブ４３の開度を制御することにより調整される。運転制御部３２Ｅは、水供給量決定部３２Ｃの決定結果に従って、燃料電池２０に供給される水Ｗａの量を制御する。
【００６２】
流量判定部３２Ａには、流量計Ｆｍ１が接続される。流量判定部３２Ａは、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量が連続的に入力される。なお、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量は、所定の間隔で流量判定部３２Ａに入力されてもよい。流量判定部３２Ａは、入力されたバイオガスＧ１の流量が定格相当流量未満か否かを判定する。バイオガスＧ１の流量が定格相当流量未満であれば、バイオガスＧ１の流量は減少していると判定される。なお、定格相当流量とは、一例として、バイオガスＧ１の供給量が最大となる流量であり、燃料電池２０の仕様等に応じて予め定められた既知の量である。本実施形態では、定格相当流量を、流量の値で定めているが、流量の範囲で定めてもよい。
【００６３】
また、流量判定部３２Ａは、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量を、単位時間当たりの流量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]に換算し、水供給量決定部３２Ｃ及び経済性判定部３２Ｄに出力する。流量判定部３２Ａは、単位時間当たりの定格相当流量Ｆ０[ｍｏｌ／ｈ]から流量Ａを減算して得られた流量（Ｆ０−Ａ）を、都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量Ｂ[ｍｏｌ／ｈ]として、水供給量決定部３２Ｃ及び経済性判定部３２Ｄに出力する。但し、単位時間当たりの定格相当流量Ｆ０は既知とする。
【００６４】
熱量計算部３２Ｂには、濃度計Ｃｍが接続される。熱量計算部３２Ｂは、濃度計Ｃｍで計測されたバイオガスＧ１に含まれるメタンの濃度ｃ（一例として６０％）が入力される。熱量計算部３２Ｂは、入力されたメタンの濃度ｃ（＝６０％）に基づいて、バイオガスＧ１の単位流量当たりの熱量α[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を導出する。例えば、メタンの単位流量当たりの熱量Ｑ０[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を既知とすると、熱量αは、以下の式（８）により導出される。
【００６５】
α＝Ｑ０×６０／１００  …（８）
【００６６】
また、熱量計算部３２Ｂは、都市ガスＧ２に含まれるメタンの濃度を例えば９０％として、都市ガスＧ２の単位流量当たりの熱量β[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を導出する。熱量βは、以下の式（９）により導出される。なお、ここでは、メタン以外の炭化水素の熱量を無視している。
【００６７】
β＝Ｑ０×９０／１００  …（９）
【００６８】
なお、都市ガスＧ２の場合、主成分がメタン等の炭化水素であるため、都市ガスＧ２の熱量βをメタンの熱量Ｑ０で近似してもよい。熱量計算部３２Ｂは、上記により導出した熱量α、βを経済性判定部３２Ｄに出力する。
【００６９】
水供給量決定部３２Ｃには、濃度計Ｃｍが接続される。水供給量決定部３２Ｃは、濃度計Ｃｍで計測されたバイオガスＧ１に含まれるメタンの濃度ｃ及び二酸化炭素の濃度ｄの各々が入力される。水供給量決定部３２Ｃには、流量判定部３２ＡからバイオガスＧ１の流量Ａ及び都市ガスＧ２の流量Ｂの各々が入力される。水供給量決定部３２Ｃには、気体定数Ｒ（単位：Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、燃料電池２０の作動温度Ｔ（単位：Ｋ）、及びファラデー定数Ｆ（単位：Ｃ／ｍｏｌ）が入力される。水供給量決定部３２Ｃには、上記式（１）によって定まるギブス自由エネルギーΔＧ１の値ｇ１[Ｊ／ｍｏｌ]が入力される。同様に、水供給量決定部３２Ｃには、上記式（５）により定まるギブス自由エネルギーΔＧ２の値ｇ２と、上記式（６）により定まるギブス自由エネルギーΔＧ３の値ｇ３と、上記式（７）により定まるギブス自由エネルギーΔＧ４の値ｇ４と、が入力される。さらに、水供給量決定部３２Ｃには、炭素活量Ａｃの範囲（０＜Ａｃ＜１）が入力される。
【００７０】
水供給量決定部３２Ｃは、上記式（１）に対応する平衡定数Ｋ１、上記式（５）に対応する平衡定数Ｋ２、上記式（６）に対応する平衡定数Ｋ３、及び上記式（７）に対応する平衡定数Ｋ４を、下記式（１０）〜式（１３）により導出する。但し、ｇ１〜ｇ４は、ギブス自由エネルギーΔＧ１〜ΔＧ４の値[Ｊ／ｍｏｌ]、Ｒは気体定数、Ｔは作動温度である。
【００７１】
Ｋ１＝Ｅｘｐ（−ΔＧ１／ＲＴ）＝Ｅｘｐ（−ｇ１／ＲＴ）  …（１０）
Ｋ２＝Ｅｘｐ（−ΔＧ２／ＲＴ）＝Ｅｘｐ（−ｇ２／ＲＴ）  …（１１）
Ｋ３＝Ｅｘｐ（−ΔＧ３／ＲＴ）＝Ｅｘｐ（−ｇ３／ＲＴ）  …（１２）
Ｋ４＝Ｅｘｐ（−ΔＧ４／ＲＴ）＝Ｅｘｐ（−ｇ４／ＲＴ）  …（１３）
【００７２】
一方、メタン、水、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（Ｈ２Ｏ）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、及びｐ（Ｈ２）は、下記式（１４）〜式（１８）により表わされる。但し、ｗは上記式（１）における反応比率、ｙは上記式（５）における反応比率、ｚは上記式（６）における反応比率、Ｈは水Ｗａの供給量[ｍｏｌ／ｈ]である。また、ｃはバイオガスＧ１中のメタン濃度[％]、ｄはバイオガスＧ１中の二酸化炭素濃度[％]、ＡはバイオガスＧ１の単位時間当たりの流量[ｍｏｌ／ｈ]である。
【００７３】
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ）×（１−ｗ−ｙ）        …（１４）
ｐ（Ｈ２Ｏ）＝Ｈ−（ｃ×Ａ）×（ｙ＋ｚ）        …（１５）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋ｙ−ｚ）       …（１６）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ）×（ｗ−ｚ）…（１７）
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋３ｙ＋ｚ）      …（１８）
【００７４】
なお、ｐ（ＣＨ４）の初期値は（ｃ×Ａ）とされ、ｐ（Ｈ２Ｏ）の初期値は（Ｈ）とされ、ｐ（ＣＯ）の初期値は０（ゼロ）とされ、ｐ（ＣＯ２）の初期値は（ｄ×Ａ）とされ、ｐ（Ｈ２）の初期値は０（ゼロ）とされる。これら各分圧ｐの合計は１となる。
【００７５】
また、上記式（１）、式（５）、及び式（６）の各々における平衡定数Ｋ１、Ｋ２、及びＫ３は、下記式（１９）〜式（２１）により表わされる。
【００７６】
Ｋ１＝ｐ（Ｈ２）２×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（ＣＯ２） …（１９)
Ｋ２＝ｐ（Ｈ２）３×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（Ｈ２Ｏ）  …（２０）
Ｋ３＝ｐ（ＣＯ２）×ｐ（Ｈ２）／ｐ（ＣＯ）／ｐ（Ｈ２Ｏ）   …（２１）
【００７７】
さらに、炭素活量Ａｃは、下記式（２２）により表わされる。但し、Ｋ４は、上記式（７）に対応する平衡定数で、上記式（１３）により導出される。
【００７８】
Ａｃ＝Ｋ４×ｐ（ＣＯ）２／ｐ（ＣＯ２）  …（２２）
【００７９】
以上より、水供給量決定部３２Ｃは、水Ｗａの供給量Ｈの候補値を変化させて、変化に応じて導出される反応比率ｗ、ｙ、ｚに基づいて、分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ２）の各々の値を導出する。そして、水供給量決定部３２Ｃは、導出した分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ２）の各々の値から求まる炭素活量Ａｃが、一例として０より大きく１より小さい範囲に収まる候補値を水Ｗａの供給量Ｈとして決定する。
【００８０】
つまり、平衡定数Ｋ１〜Ｋ３はある作動温度Ｔの下で既知の値であるため、供給量Ｈの候補値を任意の値に設定すれば、上記式（１４）〜式（２１）の関係から、反応比率ｗ、ｙ、ｚを未知数とする３つの連立方程式が成立する。この３つの連立方程式を解くと、反応比率ｗ、ｙ、ｚの値が得られ、上記の各分圧ｐが決定する。そして、平衡定数Ｋ４もある作動温度Ｔの下で既知の値であるため、上記式（２２）から炭素活量Ａｃが決定する。さらに、決定した炭素活量Ａｃが０＜Ａｃ＜１の範囲にない場合は、候補値をインクリメントして同様の計算を行い、決定した炭素活量Ａｃが上記の範囲にある場合は、設定した候補値を水Ｗａの供給量Ｈとして決定する。
【００８１】
ここで、燃料電池２０にさらに都市ガスＧ２が供給される場合、メタン、水、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（Ｈ２Ｏ）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、及びｐ（Ｈ２）は、下記式（２３）〜式（２７）により表わされる。但し、Ｂは都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量[ｍｏｌ／ｈ]で、（Ｆ０−Ａ）で示される。ここでは、都市ガスＧ２の全組成をメタンとみなすものとする。
【００８２】
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（１−ｗ−ｙ）        …（２３）
ｐ（Ｈ２Ｏ）＝Ｈ−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（ｙ＋ｚ）        …（２４）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋ｙ−ｚ）       …（２５）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（ｗ−ｚ）…（２６）
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋３ｙ＋ｚ）      …（２７）
【００８３】
なお、ｐ（ＣＨ４）の初期値は（ｃ×Ａ＋Ｂ）とされ、ｐ（Ｈ２Ｏ）の初期値は（Ｈ）とされ、ｐ（ＣＯ）の初期値は０（ゼロ）とされ、ｐ（ＣＯ２）の初期値は（ｄ×Ａ）とされ、ｐ（Ｈ２）の初期値は０（ゼロ）とされる。これら各分圧ｐの合計は１となる。
【００８４】
バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２を併用する場合も、上記式（２３）〜式（２７）、式（１９）〜式（２１）、及び式（２２）を用いることで、同様に水Ｗａの供給量Ｈを決定することができる。
【００８５】
一方、経済性判定部３２Ｄは、第１指標の値Ｉｎ１（以下、第１指標値Ｉｎ１という。）及び第２指標の値Ｉｎ２（以下、第２指標値Ｉｎ２という。）を導出する。第１指標値Ｉｎ１は、バイオガスＧ１の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す指標値である。第２指標値Ｉｎ２は、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す指標値である。これらの第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２の各々は、燃料電池２０の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となる。以下、第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２の具体例について説明するが、各パラメータの単位は、一例であり、これに限定されるものではない。
【００８６】
第１指標値Ｉｎ１（単位：円／ｈ）は、燃料電池２０に供給されるバイオガスＧ１の単位時間当たりの流量をＡ[ｍｏｌ／ｈ]、単位流量当たりの熱量をα[ｋＷｈ／ｍｏｌ]、単位流量当たりの購入価格をε[円／ｍｏｌ]、燃料電池２０の部分負荷運転時における発電効率をη１[％]、及びバイオガスＧ１により燃料電池２０で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｍ[円／ｋＷｈ]とした場合、下記式（２８）により表される。なお、部分負荷運転とは、定格出力未満の出力で運転している状態を表すものとする。
【００８７】
Ｉｎ１＝（η１×α×Ａ×ｍ）−（ε×Ａ）  …（２８）
【００８８】
一方、第２指標値Ｉｎ２（単位：円／ｈ）は、燃料電池２０に供給される都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量をＢ[ｍｏｌ／ｈ]、単位流量当たりの熱量をβ[ｋＷｈ／ｍｏｌ]、単位流量当たりの購入価格をσ[円／ｍｏｌ]、燃料電池２０の定格運転時における発電効率をη２[％]、及び都市ガスＧ２により燃料電池２０で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｎ[円／ｋＷｈ]とした場合、下記式（２９）により表される。なお、定格運転とは、定格出力で運転している状態を表すものとする。
【００８９】
Ｉｎ２=（η２×α×Ａ×ｍ）+（η２×β×Ｂ×ｎ）-（ε×Ａ＋σ×Ｂ）…（２９）
【００９０】
但し、上記の流量Ａ、Ｂは、流量判定部３２Ａから経済性判定部３２Ｄに入力され、上記の熱量α、βは、熱量計算部３２Ｂから経済性判定部３２Ｄに入力される。また、上記の購入価格ε、σ、発電効率η１、η２、及び売電価格ｍ、ｎは、図示しない入力部等を介して経済性判定部３２Ｄに入力される。なお、入力された購入価格ε、σ、発電効率η１、η２、及び売電価格ｍ、ｎは、変動がない限り記憶部３４に記憶しておき、繰り返し用いてもよい。
【００９１】
次に、図２を参照して、本第１の実施形態に係る制御装置３０の作用を説明する。なお、図２は、第１の実施形態に係るプログラム３４Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
演算部３２は、燃料電池２０の運転開始が指示された場合に、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行する。
【００９２】
まず、図２のステップ１００では、運転制御部３２Ｅが、燃料ガス供給装置４０の第１バルブ４１を全開にし、第２バルブ４２を全閉にして、バイオガスＧ１の供給を開始し、バイオガスＧ１により燃料電池２０の定格運転を開始する。この定格運転時には、改質器２２に対して、燃料電池２０を定格運転できる定格相当流量のバイオガスＧ１が供給される。この場合、都市ガスＧ２の供給量は０（ゼロ）とされる。
【００９３】
ステップ１０２では、水供給量決定部３２Ｃが、濃度計Ｃｍで計測されたバイオガスＧ１に含まれるメタンの濃度ｃ[％]及び二酸化炭素の濃度ｄ[％]の各々を入力する。
【００９４】
ステップ１０４では、流量判定部３２Ａが、バイオガスＧ１の流量が定格相当流量よりも減少したか否かを判定する。バイオガスＧ１の流量が減少したと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１０６に移行し、バイオガスＧ１の流量が減少していないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１１２に移行する。
【００９５】
ステップ１０６では、流量判定部３２Ａが、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量を、単位時間当たりの流量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]に換算し、さらに、都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量Ｂ[ｍｏｌ／ｈ]を導出する。一方、熱量計算部３２Ｂは、上記式（８）及び式（９）に基づいて、熱量α、β[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を導出する。
【００９６】
次に、ステップ１０８にて、経済性判定部３２Ｄが、第１指標値Ｉｎ１が第２指標値Ｉｎ２以上であり、かつ、第１指標値Ｉｎ１が正の値であるか否かを判定する。経済性判定部３２Ｄは、第１指標値Ｉｎ１≧第２指標値Ｉｎ２、かつ、第１指標値Ｉｎ１＞０であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１０に移行し、第１指標値Ｉｎ１≧第２指標値Ｉｎ２、かつ、第１指標値Ｉｎ１＞０ではないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１１４に移行する。
【００９７】
次に、ステップ１１０では、経済性判定部３２Ｄが、都市ガスＧ２を供給せずに、バイオガスＧ１を単独で供給したほうが経済性が高いと判定する。そして、運転制御部３２Ｅは、経済性判定部３２Ｄによる判定結果に従って、一例して、バイオガスＧ１の供給量がＡ[ｍｏｌ／ｈ]となり、都市ガスＧ２の供給量が０（ゼロ）となる状態を維持して、燃料電池２０の運転を制御する。また、運転制御部３２Ｅは、燃料電池２０における電流密度が部分負荷運転時のＪ[Ａ／ｃｍ２]となるように、燃料電池２０の運転を制御する。
【００９８】
ステップ１１２では、水供給量決定部３２Ｃが、上記式（１０）〜式（２２）を用いて、バイオガスＧ１を単独で供給した場合の水Ｗａの供給量Ｈを決定する。
【００９９】
一方、ステップ１１４では、経済性判定部３２Ｄが、第２指標値Ｉｎ２が第１指標値Ｉｎ１よりも大きく、かつ、第２指標値Ｉｎ２が正の値であるか否かを判定する。第２指標値Ｉｎ２＞第１指標値Ｉｎ１、かつ、第２指標値Ｉｎ２＞０であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１６に移行し、第２指標値Ｉｎ２＞第１指標値Ｉｎ１、かつ、第２指標値Ｉｎ２＞０ではないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１２０に移行する。
【０１００】
ステップ１１６では、経済性判定部３２Ｄが、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方を供給すると判定する。なお、経済性判定部３２Ｄは、バイオガスＧ１の流量が０（ゼロ）になる等、バイオガスＧ１の流量が極端に減少した場合には、都市ガスＧ２を単独で供給すると判定してもよい。そして、運転制御部３２Ｅは、経済性判定部３２Ｄによる判定結果に従って、一例して、バイオガスＧ１の供給量をＡ[ｍｏｌ／ｈ]のまま維持しつつ、都市ガスＧ２の供給量がＢ[ｍｏｌ／ｈ]となるように、燃料ガス供給装置４０の第２バルブ４２の開度を制御する。ここで、都市ガスＧ２の供給量は、流量計Ｆｍ２により計測される。運転制御部３２Ｅは、流量計Ｆｍ２の計測値がＢ[ｍｏｌ／ｈ]となるように、第２バルブ４２の開度を制御する。
【０１０１】
ステップ１１８では、水供給量決定部３２Ｃが、上記式（１０）〜式（１３）、式（１９）〜式（２２）、さらに、上記式（１４）〜式（１８）の代わりに上記式（２３）〜式（２７）を用いて、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方を供給した場合の水Ｗａの供給量Ｈを決定する。
【０１０２】
一方、ステップ１２０では、経済性判定部３２Ｄが、第１指標値Ｉｎ１≦０、かつ、第２指標値Ｉｎ２≦０であると判定した場合、すなわち、収益がプラスでない場合には、発電停止又はホットスタンバイ状態に移行すると判定する。そして、運転制御部３２Ｅは、経済性判定部３２Ｄによる判定結果に従って、一例として、燃料電池２０における発電を一時的に停止する制御を行う。なお、発電が停止した状態においても、バイオガスＧ１の流量は計測されるものとする。
【０１０３】
次に、ステップ１２２では、運転制御部３２Ｅが、水供給量決定部３２Ｃによる決定結果に従って、水Ｗａの供給量が供給量Ｈとなるように、第３バルブ４３の開度を制御する。ここで、水Ｗａの供給量は、流量計Ｆｍ３により計測される。運転制御部３２Ｅは、流量計Ｆｍ３の計測値がＨ[ｍｏｌ／ｈ]となるように、第３バルブ４３の開度を制御する。
【０１０４】
次に、ステップ１２４では、流量判定部３２Ａが、流量計Ｆｍ１の計測結果に基づいて、バイオガスＧ１の流量の変動が有ったか否かを判定する。流量の変動が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１０６に移行し、流量の変動が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１２６に移行する。
【０１０５】
ステップ１２６では、運転制御部３２Ｅが、燃料電池２０の運転終了の指示が有ったか否かを判定する。燃料電池２０の運転終了の指示が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１２８に移行し、燃料電池２０の運転終了の指示が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１２４に移行し待機となる。なお、一例として、操作者による運転終了の指示を受け付けた場合に、燃料電池２０の運転を終了すると判定してもよい。
【０１０６】
ステップ１２８では、運転制御部３２Ｅが、燃料ガス供給装置４０の第１バルブ４１及び第２バルブ４２、さらに、第３バルブ４３を全閉にし、バイオガスＧ１、都市ガスＧ２、及び水Ｗａの供給を停止する。運転制御部３２Ｅは、燃料電池２０の運転を終了する制御を行い、上記一連の処理を終了する。
【０１０７】
図３は、第１の実施形態に係るプログラム３４Ａによる水供給量決定処理の流れの一例を示すフローチャートである。
本フローチャートは、図２に示すステップ１１２又はステップ１１８におけるサブルーチン処理の流れを示すものである。
【０１０８】
まず、ステップ２００では、水供給量決定部３２Ｃが、各パラメータの値を入力する。なお、各パラメータの値としては、気体定数Ｒ、燃料電池２０の作動温度Ｔ、ファラデー定数Ｆ、バイオガスＧ１の流量Ａ、都市ガスＧ２の流量Ｂ、バイオガスＧ１中のメタン濃度ｃ、バイオガスＧ１中の二酸化炭素濃度ｄを含む。さらに、各パラメータの値としては、ギブス自由エネルギーΔＧ１〜ΔＧ４の値ｇ１〜ｇ４、及び炭素活量Ａｃを含む。
【０１０９】
ステップ２０２では、水供給量決定部３２Ｃが、水Ｗａの供給量Ｈの候補値（初期値）を設定する。
【０１１０】
ステップ２０４では、水供給量決定部３２Ｃが、上記設定した候補値に基づいて、上記式（１０）〜式（２１）（但し、都市ガスＧ２を供給する場合は、上記式（１４）〜式（１８）の代わりに上記式（２３）〜式（２７）を適用）を用いて、反応比率ｗ、ｙ、ｚを導出する。反応比率ｗは上記式（１）に対応し、反応比率ｙは上記式（５）に対応し、反応比率ｚは上記式（６）に対応する。
【０１１１】
ステップ２０６では、水供給量決定部３２Ｃが、上記導出した反応比率ｗ、ｙ、ｚに基づいて、上記式（１４）〜式（１８）（又は、上記式（２３）〜式（２７））を用いて、メタン、水、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（Ｈ２Ｏ）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、及びｐ（Ｈ２）を決定する。
【０１１２】
ステップ２０８では、水供給量決定部３２Ｃが、上記決定した各分圧ｐに基づいて、上記式（２２）を用いて、炭素活量Ａｃを決定する。
【０１１３】
ステップ２１０では、水供給量決定部３２Ｃが、上記決定した炭素活量Ａｃが、０＜Ａｃ＜１の範囲に入るか否を判定する。炭素活量Ａｃが０＜Ａｃ＜１の範囲に入らないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２１２に移行し、炭素活量Ａｃが０＜Ａｃ＜１の範囲に入ると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２１４に移行する。
【０１１４】
ステップ２１２では、水供給量決定部３２Ｃが、水Ｗａの供給量Ｈの候補値をインクリメントし、ステップ２０４に戻り処理を繰り返す。
【０１１５】
ステップ２１４では、水供給量決定部３２Ｃが、上記設定した候補値を、水Ｗａの供給量Ｈとして決定し、上記一連の処理を終了する。
【０１１６】
図４は、第１の実施形態に係る水供給量決定部３２Ｃによる処理内容の一例の説明に供する模式図である。
【０１１７】
図４に示すように、水供給量決定部３２Ｃは、入力値群１〜入力値群４が入力される。入力値群１には、気体定数Ｒ[Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ]と、燃料電池２０の作動温度Ｔ[Ｋ]と、ファラデー定数Ｆ[Ｃ／ｍｏｌ]と、が含まれる。入力値群２には、ギブス自由エネルギーΔＧ１〜ΔＧ４の値ｇ１〜ｇ４[Ｊ／ｍｏｌ]が含まれる。入力値群３には、バイオガスＧ１の流量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]と、都市ガスＧ２の流量Ｂ[ｍｏｌ／ｈ]と、バイオガスＧ１に含まれるメタン濃度ｃ[％]と、二酸化炭素濃度ｄ[％]と、が含まれる。但し、流量Ｂは、定格相当流量Ｆ０から流量Ａを減算して得られる値である。入力値群４には、炭素活量Ａｃの範囲（０＜Ａｃ＜１）が含まれる。
【０１１８】
そして、水供給量決定部３２Ｃは、上記入力値群１〜入力値群４に含まれる各パラメータを用いて、水Ｗａの供給量Ｈを決定する。水Ｗａの供給量Ｈは、上記式（１０）〜式（２２）（但し、都市ガスＧ２を供給する場合、上記式（１４）〜式（１８）の代わりに上記式（２３）〜式（２７）を適用）により決定される。
【０１１９】
本第１の実施形態によれば、炭素活量Ａｃが予め定められた範囲に収まる水Ｗａの供給量Ｈを決定するため、炭素活量Ａｃの範囲を規定することなく水Ｗａの供給量Ｈを決定する場合と比べ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。また、バイオガス中の二酸化炭素も考慮して、水Ｗａの供給量Ｈを決定するため、必要以上の改質剤の投入による発電効率の低下を防ぐことができる。
さらには、バイオガスＧ１中の二酸化炭素を分離せずに、改質に利用することで、設備の低コスト化を図ることができる。
【０１２０】
図５は、第１の実施形態に係る経済性判定部３２Ｄによる処理内容の一例の説明に供する模式図である。
【０１２１】
図５に示すように、経済性判定部３２Ｄは、入力値群１〜入力値群５が入力される。入力値群１には、バイオガスＧ１の購入価格ε[円／ｍｏｌ]と、都市ガスＧ２の購入価格σ[円／ｍｏｌ]と、が含まれる。入力値群２には、バイオガスＧ１の売電価格ｍ[円／ｋＷｈ]と、都市ガスＧ２の売電価格ｎ[円／ｋＷｈ]と、が含まれる。入力値群３には、バイオガスＧ１の熱量α[ｋＷｈ／ｍｏｌ]と、都市ガスＧ２の熱量β[ｋＷｈ／ｍｏｌ]と、が含まれる。入力値群４には、バイオガスＧ１の流量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]と、都市ガスＧ２の流量Ｂ[ｍｏｌ／ｈ]と、が含まれる。但し、流量Ｂは、定格相当流量Ｆ０から流量Ａを減算して得られる値である。入力値群５には、燃料電池２０の部分負荷運転時における発電効率η１[％]と、燃料電池２０の定格運転時における発電効率η２[％]と、が含まれる。
【０１２２】
そして、経済性判定部３２Ｄは、上記入力値群１〜入力値群５に含まれる各パラメータを用いて、第１指標値Ｉｎ１[円／ｈ]及び第２指標値Ｉｎ２[円／ｈ]を導出する。第１指標値Ｉｎ１は上記式（２８）により導出され、第２指標値Ｉｎ２は上記式（２９）により導出される。
【０１２３】
そして、経済性判定部３２Ｄは、第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２に基づいて、燃料電池２０に都市ガスＧ２を供給するか否かを判定する。すなわち、（１）第１指標値Ｉｎ１≧第２指標値Ｉｎ２、かつ、第１指標値Ｉｎ１＞０、である場合、都市ガスＧ２を供給せずに、バイオガスＧ１を単独で供給するほうが経済性が高いと判定する。（２）第２指標値Ｉｎ２＞第１指標値Ｉｎ１、かつ、第２指標値Ｉｎ２＞０、である場合、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方（又は都市ガスＧ２のみ）を供給するほうが経済性が高いと判定する。（３）第１指標値Ｉｎ１≦０、かつ、第２指標値Ｉｎ２≦０である場合、発電停止（又はホットスタンバイ状態へ移行）と判定する。
【０１２４】
本第１の実施形態によれば、さらに、バイオガスＧ１の流量が定格相当流量よりも減少し、定格運転できない場合に、第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２に基づいて、経済性の観点から都市ガスＧ２を燃料電池２０に供給するか否かを判定することができる。このため、燃料電池２０の運転にかかるコストを抑え、高い経済性を実現することができる。また、バイオガスＧ１を用いることで、環境負荷の低減を図ることができる。
【０１２５】
[第２の実施形態]
図６は、第２の実施形態に係る燃料電池システム１２の全体構成の一例を示すブロック図である。
第２の実施形態に係る燃料電池システム１２では、制御装置３０の構成が第１の実施形態に係る制御装置３０の構成と異なる。すなわち、制御装置３０が水供給量決定部３２Ｃの代わりに酸素供給量決定部３２Ｆを備える。また、第１の実施形態では、改質剤として水Ｗａを用いたが、第２の実施形態では、改質剤として空気中の酸素（Ｏ２）Ｖａを用いる。これ以外の構成は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の構成と同様であるため、ここでの繰り返しの説明は省略する。
【０１２６】
本第２の実施形態では、改質器２２に対して、酸素Ｖａを供給する。酸素Ｖａは、改質剤の一例である。この酸素Ｖａの供給により、余剰分のメタンを改質させ、炭素の析出を抑制することができる。改質器２２に酸素Ｖａを供給した場合の改質反応は、下記式（３０）の通りである。なお、式（３０）は、第４改質反応の一例を示す。
【０１２７】
ＣＨ４＋０．５Ｏ２  →  ２Ｈ２＋ＣＯ  …（３０）
【０１２８】
なお、本第２の実施形態においても、上記式（１０）、式（１３）、式（１９）、及び式（２２）は、上述の第１の実施形態と同様に用いるものとする。
【０１２９】
酸素Ｖａの供給経路５４には、第３バルブ４３が設けられている。酸素Ｖａの供給経路５４には、流量計Ｆｍ３が設けられている。酸素Ｖａの供給量は、運転制御部３２Ｅが第３バルブ４３の開度を制御することにより調整される。運転制御部３２Ｅは、酸素供給量決定部３２Ｆの決定結果に従って、燃料電池２０に供給される酸素Ｖａの量を制御する。
【０１３０】
酸素供給量決定部３２Ｆには、濃度計Ｃｍが接続される。酸素供給量決定部３２Ｆは、濃度計Ｃｍで計測されたバイオガスＧ１に含まれるメタンの濃度ｃ及び二酸化炭素の濃度ｄの各々が入力される。酸素供給量決定部３２Ｆには、流量判定部３２ＡからバイオガスＧ１の流量Ａ及び都市ガスＧ２の流量Ｂの各々が入力される。酸素供給量決定部３２Ｆには、気体定数Ｒ、燃料電池２０の作動温度Ｔ、及びファラデー定数Ｆが入力される。酸素供給量決定部３２Ｆには、上記式（１）によって定まるギブス自由エネルギーΔＧ１の値ｇ１[Ｊ／ｍｏｌ]が入力される。同様に、酸素供給量決定部３２Ｆには、上記式（３０）により定まるギブス自由エネルギーΔＧ５の値ｇ５と、上記式（７）により定まるギブス自由エネルギーΔＧ４の値ｇ４と、が入力される。さらに、酸素供給量決定部３２Ｆには、炭素活量Ａｃの範囲（０＜Ａｃ＜１）が入力される。
【０１３１】
酸素供給量決定部３２Ｆは、上記式（１）に対応する平衡定数Ｋ１を上記式（１０）により導出し、上記式（７）に対応する平衡定数Ｋ４を上記式（１３）により導出し、上記式（３０）に対応する平衡定数Ｋ５を下記式（３１）により導出する。但し、ｇ５は、ギブス自由エネルギーΔＧ５の値[Ｊ／ｍｏｌ]、Ｒは気体定数、Ｔは作動温度である。
【０１３２】
Ｋ５＝Ｅｘｐ（−ΔＧ５／ＲＴ）＝Ｅｘｐ（−ｇ５／ＲＴ）  …（３１）
【０１３３】
一方、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び酸素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、ｐ（Ｈ２）、及びｐ（Ｏ２）、は、下記式（３２）〜式（３６）により表わされる。但し、ｗは上記式（１）における反応比率、ｖは上記式（３０）における反応比率、λは酸素Ｖａの供給量[ｍｏｌ／ｈ]である。また、ｃはバイオガスＧ１中のメタン濃度[％]、ｄはバイオガスＧ１中の二酸化炭素濃度[％]、ＡはバイオガスＧ１の単位時間当たりの流量[ｍｏｌ／ｈ]である。
【０１３４】
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ）×（１−ｗ−ｖ）          …（３２）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋ｖ）             …（３３）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ）×ｗ          …（３４）
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ）×（２ｗ＋２ｖ）            …（３５）
ｐ（Ｏ２）＝λ−（ｃ×Ａ）×０．５ｖ              …（３６）
【０１３５】
なお、ｐ（ＣＨ４）の初期値は（ｃ×Ａ）とされ、ｐ（ＣＯ）の初期値は０（ゼロ）とされ、ｐ（ＣＯ２）の初期値は（ｄ×Ａ）とされ、ｐ（Ｈ２）の初期値は０（ゼロ）とされ、ｐ（Ｏ２）の初期値は（λ）とされる。これら各分圧ｐの合計は１となる。
【０１３６】
また、上記式（１）における平衡定数Ｋ１は、上記式（１９）により表わされ、上記式（３０）における平衡定数Ｋ５は、下記式（３７）により表わされる。
【０１３７】
Ｋ５＝ｐ（Ｈ２）２×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ４）／ｐ（Ｏ２）０．５…（３７)
【０１３８】
さらに、炭素活量Ａｃは、上述の第１の実施形態にて用いた上記式（２２）により表わされる。
【０１３９】
以上より、酸素供給量決定部３２Ｆは、酸素Ｖａの供給量λの候補値を変化させて、変化に応じて導出される反応比率ｗ、ｖに基づいて、分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ２）の各々の値を導出する。そして、酸素供給量決定部３２Ｆは、導出した分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ２）の各々の値から求まる炭素活量Ａｃが、一例として、０より大きく１より小さい範囲に収まる候補値を酸素Ｖａの供給量λとして決定する。
【０１４０】
つまり、平衡定数Ｋ１、Ｋ５はある作動温度Ｔの下で既知の値であるため、供給量λの候補値を任意の値に設定すれば、上記式（１９）、式（３２）〜式（３６）、及び式（３７）の関係から、反応比率ｗ、ｖを未知数とする２つの連立方程式が成立する。この２つの連立方程式を解くと、反応比率ｗ、ｖの値が得られ、上記の各分圧ｐが決定する。そして、平衡定数Ｋ４もある作動温度Ｔの下で既知の値であるため、上記式（２２）から炭素活量Ａｃが決定する。さらに、決定した炭素活量Ａｃが０＜Ａｃ＜１の範囲にない場合は、候補値をインクリメントして同様の計算を行い、決定した炭素活量Ａｃが上記の範囲にある場合は、設定した候補値を酸素Ｖａの供給量λとして決定する。
【０１４１】
ここで、燃料電池２０にさらに都市ガスＧ２が供給される場合、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び酸素、の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ２）、ｐ（Ｈ２）、及びｐ（Ｏ２）は、下記式（３８）〜式（４２）により表わされる。但し、Ｂは都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量[ｍｏｌ／ｈ]で、（Ｆ０−Ａ）で示される。ここでは、都市ガスＧ２の全組成をメタンとみなすものとする。
【０１４２】
ｐ（ＣＨ４）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（１−ｗ−ｖ）          …（３８）
ｐ（ＣＯ）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋ｖ）             …（３９）
ｐ（ＣＯ２）＝（ｄ×Ａ）−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×ｗ          …（４０）
ｐ（Ｈ２）＝（ｃ×Ａ＋Ｂ）×（２ｗ＋２ｖ）            …（４１）
ｐ（Ｏ２）＝λ−（ｃ×Ａ＋Ｂ）×０．５ｖ              …（４２）
【０１４３】
なお、ｐ（ＣＨ４）の初期値は（ｃ×Ａ＋Ｂ）とされ、ｐ（ＣＯ）の初期値は０（ゼロ）とされ、ｐ（ＣＯ２）の初期値は（ｄ×Ａ）とされ、ｐ（Ｈ２）の初期値は０（ゼロ）とされ、ｐ（Ｏ２）の初期値は（λ）とされる。これら各分圧ｐの合計は１となる。
【０１４４】
バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２を併用する場合も、上記式（１９）、式（２２）、式（３７）、及び式（３８）〜式（４２）を用いることで、同様に酸素Ｖａの供給量λを決定することができる。
【０１４５】
次に、図７を参照して、本第２の実施形態に係る制御装置３０の作用を説明する。なお、図７は、第２の実施形態に係るプログラム３４Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
演算部３２は、燃料電池２０の運転開始が指示された場合に、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行する。このプログラム３４Ａの実行により、演算部３２は、流量判定部３２Ａ、熱量計算部３２Ｂ、経済性判定部３２Ｄ、運転制御部３２Ｅ、及び酸素供給量決定部３２Ｆとして機能する。
【０１４６】
本第２の実施形態に係るプログラム３４Ａは、燃料電池２０における炭素の析出を抑制可能な酸素Ｖａの供給量を決定し、決定結果に基づいて酸素Ｖａの供給量を制御するものである。
【０１４７】
なお、本第２の実施形態におけるステップ３１２、ステップ３１８、及びステップ３２２での処理以外は、上述の第１の実施形態（図２参照）で説明した処理と同様であるため、ここでの繰り返しの説明は省略する。
【０１４８】
ステップ３１２では、酸素供給量決定部３２Ｆが、上記式（１０）、式（１３）、式（１９）、式（２２）、式（３１）、式（３２）〜式（３６）、及び式（３７）を用いて、バイオガスＧ１を単独で供給した場合の酸素Ｖａの供給量λを決定する。
【０１４９】
ステップ３１８では、酸素供給量決定部３２Ｆが、上記式（１０）、式（１３）、式（１９）、式（２２）、式（３１）、式（３７）、及び式（３８）〜式（４２）を用いて、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方を供給した場合の酸素Ｖａの供給量λを決定する。
【０１５０】
ステップ３２２では、運転制御部３２Ｅが、酸素供給量決定部３２Ｆによる決定結果に従って、酸素Ｖａの供給量が供給量λとなるように、第３バルブ４３の開度を制御する。ここで、酸素Ｖａの供給量は、流量計Ｆｍ３により計測される。運転制御部３２Ｅは、流量計Ｆｍ３の計測値がλ[ｍｏｌ／ｈ]となるように、第３バルブ４３の開度を制御する。
【０１５１】
本第２の実施形態によれば、炭素活量Ａｃが予め定められた範囲に収まる空気中の酸素Ｖａの供給量を決定するため、炭素活量Ａｃの範囲を規定することなく酸素Ｖａの供給量を決定する場合と比べ、炭素の析出をより効果的に抑制することができる。また、バイオガス中の二酸化炭素も考慮して、酸素Ｖａの供給量λを決定するため、必要以上の改質剤の投入による発電効率の低下を防ぐことができる。
さらには、バイオガスＧ１中の二酸化炭素を分離せずに、改質に利用することで、設備の低コスト化を図ることができる。
【０１５２】
なお、上記実施形態では、バイオガスＧ１中の二酸化炭素を分離しない場合について説明したが、二酸化炭素を分離した場合も本出願内容の範囲内である。
【０１５３】
以上、実施形態として燃料電池システム及びその制御装置を例示して説明した。実施形態は、制御装置が備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。
【０１５４】
その他、上記実施形態で説明した制御装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。
【０１５５】
また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
【０１５６】
また、上記実施形態で説明した各種の数式においても、主旨を逸脱しない範囲内において変形を行ってもよい。
【０１５７】
また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。
【符号の説明】
【０１５８】
１０、１２    燃料電池システム
２０   燃料電池（ホットボックス）
２２   改質器
２４   スタック（燃料電池本体）
２６   燃焼器
３０   制御装置
３２   演算部
３２Ａ 流量判定部
３２Ｂ 熱量計算部
３２Ｃ 水供給量決定部
３２Ｄ 経済性判定部
３２Ｅ 運転制御部
３２Ｆ 酸素供給量決定部
３４   記憶部
３４Ａ プログラム
４０   燃料ガス供給装置
４１   第１バルブ
４２   第２バルブ
４３   第３バルブ
５０、５２、５４  供給経路
【図１】
2018067470.tif 000003
【図２】
2018067470.tif 000004
【図３】
2018067470.tif 000005
【図４】
2018067470.tif 000006
【図５】
2018067470.tif 000007
【図６】
2018067470.tif 000008
【図７】
2018067470.tif 000009