(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料ガスを燃料ガス供給流路を通して供給するための燃料ガス供給手段と、水供給流路を通して改質用水を供給するための水供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスを前記水供給手段からの前記改質用水を用いて水蒸気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をアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するためのコントローラと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路には、前記燃料ガスのガス容積を測定するための容積式ポンプ及び前記燃料ガスのガス熱容量を測定するための熱線式ガス流量計が配設され、前記コントローラは、前記燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量を演算するためのガス熱容量演算手段と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの供給流量を演算するための燃料ガス供給流量演算手段とを含んでおり、
前記容積式ポンプは、前記燃料ガス供給流路を通して供給された単位時間当たりの通過ガス容積を計測し、前記熱式ガス流量計は、前記燃料ガス供給流路を通して供給された単位時間当たりの通過ガス熱容量を計測し、前記ガス熱容量演算手段は、前記容積式ポンプによる前記単位時間当たりの通過ガス容積及び前記熱線式ガス流量計による前記単位時間当たりの通過ガス熱容量に基づいて、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの単位体積当たりの通過ガス熱容量を演算し、前記燃料ガス供給流量演算手段は、発電出力と燃料ガスの熱容量との関係を示す発電出力／ガス熱容量データを用い、前記ガス熱容量演算手段による前記単位時間当たり通過ガス熱容量に基づいて前記燃料ガス供給流路を通して供給する燃料ガス供給流量を演算し、前記コントローラは、前記燃料ガス供給流量演算手段により演算した前記燃料ガス供給流量となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス供給流路は、燃料ガスが充填されたガスボンベに接続され、前記ガスボンベからの燃料ガスが前記燃料ガス供給流路を通して前記改質器に供給され、前記コントローラは、前記ガスボンベのボンベ使用率を演算するためのボンベ使用率演算手段を含んでい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】
前記コントローラは、前記燃料電池の発電状態を停止移行させるかを判定するための停止移行判定手段を含み、前記停止移行判定手段は、前記ボンベ使用率演算手段により演算された前記ボンベ使用率に基づいて停止移行を判定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記コントローラは、更に、前記ガスボンベから供給される前記燃料ガスのガス積算使用量を演算するためのガス積算使用量演算手段を含み、前記ガス積算使用量演算手段は、前記容積式ポンプによる前記単位時間当たりの通過ガス容積に基づいて前記ガス積算使用量を演算し、前記ボンベ使用率演算手段は、前記ガス積算使用量演算手段による前記ガス積算使用量及び／又は前記ガス熱容量演算手段による前記単位体積当たりの通過ガス熱容量に基づいて前記ボンベ使用率を演算し、前記停止移行判定手段は、前記ボンベ使用率演算手段による前記ボンベ使用率が所定ボンベ使用率に達すると停止移行と判定し、前記コントローラは前記燃料電池を停止移行させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記コントローラは、計時するためのタイマ手段又は前記燃料ガスのガス積算使用量を演算するためのガス積算使用量演算手段を含み、前記タイマ手段が設定時間を計時する又は前記ガス積算使用量演算手段が設定積算使用量を計測すると、前記容積式ポンプは、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの前記単位時間当たりの通過ガス容積を測定し、前記熱線式ガス流量計は、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの前記単位時間当たりの通過ガス熱容量を測定す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系の燃料ガスを燃料として用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素系の燃料ガス（例えば、ＬＰガスなど）を用いて発電を行う燃料電池システムとして、燃料ガス供給流路に配設された燃料ガスポンプと、水供給流路に配設された水ポンプと、燃料ガスを改質用水を用いて水蒸気改質するための改質器と、改質器からの改質燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池（例えば、燃料電池セルスタック）とを備え、燃料ガス供給流路に熱式質量流量検知手段及び熱量検知手段を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この燃料電池システムでは、熱式質量流量検知手段は燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガスの流量を検知し、また熱量検知手段は燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの熱容量を検知し、この熱量検知手段による検知熱容量に基づいて燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガスの供給流量を制御している。
【０００４】
燃料ガスの組成が変わると、燃料ガスの燃料利用率（ここでの燃料利用率とは、供給した燃料ガスのうち燃料電池の発電反応に寄与した燃料ガスの割合をいう）及び改質器での水蒸気改質反応におけるＳ／Ｃ（ここでのＳ／Ｃとは、炭化水素系の燃料ガス中の炭化モル数（Ｃ）に対する水蒸気モル数（Ｓ）の比率をいう）が変動し、これらの変動は、燃料電池の発電効率の低下、また燃料電池の耐久性の低下（例えば、カーボンの析出など）の原因となるが、燃料ガスの組成に基づいてその供給流量を所要の通りに制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９６９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した燃料電池システムには、次の通りの解決すべき問題がある。即ち、熱量検知手段として、音速−発熱量関係指標に基づいて燃料ガスの熱容量を検知するものを用いており、このようなタイプの熱量検知手段を適用する場合、高価な超音波流速計を別途必要となる。また、熱量検知手段として、燃料ガスの燃焼熱を利用して燃料ガスの熱容量を検知するものも開示されているが、このタイプの熱量検知手段を適用する場合、燃料ガスを燃焼させるための燃焼バーナ及び燃焼温度を検知するための温度検知手段を別途必要となる。このような構成部品（超音波流速計、或いは燃焼バーナ及び温度検知手段）を別途設けることは、製作コストが上昇するとともに、システムの構成が複雑に且つ大型化する問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、燃料ガスの組成変動が生じても燃料電池の発電効率の低下などを抑え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】
【０００８】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料ガスを燃料ガス供給流路を通して供給するための燃料ガス供給手段と、水供給流路を通して改質用水を供給するための水供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスを前記水供給手段からの前記改質用水を用いて水蒸気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をアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するためのコントローラと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路には、前記燃料ガスのガス容積を測定するための容積式ポンプ及び前記燃料ガスのガス熱容量を測定するための熱線式ガス流量計が配設され、前記コントローラは、前記燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量を演算するためのガス熱容量演算手段と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの供給流量を演算するための燃料ガス供給流量演算手段とを含んでおり、
前記容積式ポンプは、前記燃料ガス供給流路を通して供給された単位時間当たりの通過ガス容積を計測し、前記熱式ガス流量計は、前記燃料ガス供給流路を通して供給された単位時間当たりの通過ガス熱容量を計測し、前記ガス熱容量演算手段は、前記容積式ポンプによる前記単位時間当たりの通過ガス容積及び前記熱線式ガス流量計による前記単位時間当たりの通過ガス熱容量に基づいて、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの単位体積当たりの通過ガス熱容量を演算し、前記燃料ガス供給流量演算手段は、発電出力と燃料ガスの熱容量との関係を示す発電出力／ガス熱容量データを用い、前記ガス熱容量演算手段による前記単位時間当たり通過ガス熱容量に基づいて前記燃料ガス供給流路を通して供給する燃料ガス供給流量を演算し、前記コントローラは、前記燃料ガス供給流量演算手段により演算した前記燃料ガス供給流量となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記燃料ガス供給流路は、燃料ガスが充填されたガスボンベに接続され、前記ガスボンベからの燃料ガスが前記燃料ガス供給流路を通して前記改質器に供給され、前記コントローラは、前記ガスボンベのボンベ使用率を演算するためのボンベ使用率演算手段を含んでいることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、前記燃料電池の発電状態を停止移行させるかを判定するための停止移行判定手段を含み、前記停止移行判定手段は、前記ボンベ使用率演算手段により演算された前記ボンベ使用率に基づいて停止移行を判定することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、更に、前記ガスボンベから供給される前記燃料ガスのガス積算使用量を演算するためのガス積算使用量演算手段を含み、前記ガス積算使用量演算手段は、前記容積式ポンプによる前記単位時間当たりの通過ガス容積に基づいて前記ガス積算使用量を演算し、前記ボンベ使用率演算手段は、前記ガス積算使用量演算手段による前記ガス積算使用量及び／又は前記ガス熱容量演算手段による前記単位体積当たりの通過ガス熱容量に基づいて前記ボンベ使用率を演算し、前記停止移行判定手段は、前記ボンベ使用率演算手段による前記ボンベ使用率が所定ボンベ使用率に達すると停止移行と判定し、前記コントローラは前記燃料電池を停止移行させることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、計時するためのタイマ手段又は前記燃料ガスのガス積算使用量を演算するためのガス積算使用量演算手段を含み、前記タイマ手段が設定時間を計時する又は前記ガス積算使用量演算手段が設定積算使用量を計測すると、前記容積式ポンプは、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの前記単位時間当たりの通過ガス容積を測定し、前記熱線式ガス流量計は、前記燃料ガス供給流路を通して供給された前記燃料ガスの前記単位時間当たりの通過ガス熱容量を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、容積式ポンプは燃料供給流路を通して供給された単位時間当たりの燃料ガスの通過ガス容積を計測し、また熱線式ガス流量計は燃料ガス供給流路を通して供給された単位時間当たりの燃料ガスの通過ガス熱容量を計測し、ガス熱容量演算手段はこの単位時間当たりの通過ガス容積及びこの単位時間当たりの通過ガス熱容量に基づいて、燃料ガスの単位体積当たりの通過ガス熱容量を演算するので、この単位体積当たりの通過ガス熱容量を正確に演算することができる。そして、燃料ガス供給流量演算手段は、発電出力と燃料ガスの熱容量との関係を示す発電電力／ガス熱容量データを用い、ガス熱容量演算手段による単位体積当たりの通過ガス熱容量に基づいて燃料ガス供給流路を通して供給する燃料ガス供給流量を演算するので、燃料ガスの組成が変動してもそのガス組成に対応した燃料ガス供給流量を正確に演算することができ、従って、この燃料ガス供給流量を供給するように燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの組成に関係なく改質器（換言すると、燃料電池）に所望量の燃料ガスを供給することができ、その結果、燃料ガスの組成変動に伴う燃料電池の発電効率や耐久性の低下を抑えることができる。
【００１４】
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、ガスボンベからの燃料ガスが燃料ガス供給流路を通して前記改質器に供給され、このようにガスボンベを用いる場合、ガス熱容量演算手段により演算されたガス熱容量に基づいてボンベ使用率（即ち、ガスボンベに充填された燃料ガスの使用率）を演算することができ、このようにボンベ使用率を演算することにより、ガスボンベの交換時期を知ることができる。
【００１５】
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、停止移行判定手段は、ボンベ使用率演算手段により演算されたボンベ使用率を用いて停止移行を判定するので、ボンベに充填された燃料ガスを全て使用する前の適切な時期に燃料電池を正常に停止移行させることができ、これによって、運転中に燃料ガスがなくなって（所謂、ガス欠が生じて）燃料電池を緊急停止させるような事態を防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、ガス積算使用量演算手段は、容積式ポンプによる単位時間当たりの通過ガス容積に基づいてガス積算使用量を演算し、ボンベ使用率演算手段は、ガス積算使用量演算手段によるガス積算使用量及び／又はガス熱容量演算手段による単位体積当たりの通過ガス熱容量に基づいてボンベ使用率を演算し、停止移行判定手段は、このボンベ使用率が所定ボンベ使用率に達すると停止移行と判定し燃料電池が停止移行されるので、ガスボンベ内に燃料ガスが残っている状態で燃料電池を安全に停止させることができる。
【００１７】
更に、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムによれば、タイマ手段が設定時間を計時する（又はガス積算使用量演算手段が設定積算使用量を計測する）と、容積式ポンプが燃料ガスの単位時間当たりの通過ガス容積を測定し、また熱線式ガス流量計が燃料ガスの単位時間当たりの通過ガス熱容量を測定するので、設定時間（例えば、１時間）毎に（又は設定積算使用量毎に）単位体積当たりの通過ガス熱容量を演算し、この通過ガス熱容量を用いて燃料ガス供給流量を演算することによって、燃料ガスの組成変動を簡易的に確認しながら燃料ガスの組成変動に伴う燃料電池の発電効率や耐久性の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に従う燃料電池システムの第１の実施形態を示す全体図。
【図２】ＬＰガスをガスタンクに満充填したときにおけるガスボンベのボンベ使用率とこのガスボンベから供給される燃料ガスの組成（炭水水素の濃度）との関係を示す図。
【図３】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４】図３の制御系による燃料電池の運転の流れを示すフローチャート。
【図５】本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態を示す全体図。
【図６】図５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７】図６に示す制御系による燃料電池の停止移行運転への流れを示すフローチャート。
【図８】設定時間毎における燃料ガスのガス熱容量を簡略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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実施形態について説明する。尚、この実施形態では、燃料電池システムとして固体酸化物形燃料電池を用いたものに適用して説明するが、燃料ガスを水蒸気改質する改質器を備えた他の形態の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池などを用いたものにも同様に適用することができる。
【００２０】
先ず、図１〜図５を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第１の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、炭化水素系の燃料ガス（例えば、ＬＰガスなど）を消費して発電を行うものであり、改質用水を気化させて水蒸気を生成するための気化器４と、燃料ガスを水蒸気を用いて改質するための改質器６と、改質器６にて改質された改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池８（例えば、セルスタック）と、を備えている。
【００２１】
この燃料電池８は、例えば、複数の固体酸化物形の電池セルを集電部材を介して積層して構成され、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（空気極）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。
【００２２】
燃料電池８の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路１０を介して改質器６に接続され、この改質器６は、ガス・水蒸気送給流路１２を介して気化器４に接続されている。気化器４は、燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１６（例えば、ガスボンベなど）に接続され、この燃料ガス供給流路１４に容積式ポンプ１８、熱線式ガス流量計２０及び燃料ガスポンプ２１（燃料ガス供給手段を構成する）が下流側に向けてこの順に配設されている。燃料ガスポンプ２１は、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスを気化器４に送給し、容積式ポンプ１８は燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスのガス容積を測定し、熱線式ガス流量計２０は燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスのガス熱容量を測定する。尚、燃料ガス供給流路１４を気化器４に接続することに代えて、改質器６に直接的に接続するようにしてもよい。
【００２３】
燃料ガス供給手段としての燃料ガスポンプ２１は、例えば、電圧に比例して回転数が変動する形態のものが用いられ、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量が増大（又は減少）する。尚、燃料ガス供給手段として、燃料ガスポンプと流量制御弁とを組み合わせたものなどを用い、この流量制御弁により燃料ガスの供給流量を制御するようにしてもよい。
【００２４】
気化器４は、水供給流路２２を介して水供給源２４（例えば、水タンクなど）に接続され、この水供給流路２２に水ポンプ２６（水供給手段）が配設されている。この水ポンプ２６は、水供給源２４からの改質用水を気化器４に供給する。
【００２５】
水供給手段としての水ポンプ２６は、例えば、燃料ガスポンプ２１と同様に、電圧に比例して回転数が変動する形態のものが用いられ、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、水供給流路２２を通して供給される改質用水の供給流量が増大（又は減少）する。
【００２６】
このように構成されているので、燃料ガス供給源１６からの炭化水素系の燃料ガスは、燃料ガス供給流路１４を通して気化器４に送給され、この気化器４からガス・水蒸気送給流路１２を通して改質器６に送給される。また、水供給源２４からの改質用水は、水供給流路２２を通して気化器４に送給され、この気化器４において気化されて水蒸気となり、この水蒸気がガス・水蒸気送給流路１２を通して改質器６に送給される。改質器６では、燃料ガスが水蒸気により水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路１０を通して燃料電池セルスタック８の燃料極側に送給される。
【００２７】
この燃料電池８の酸素極の導入側は、空気供給流路２８を介して大気に開放されており、かかる空気供給流路２８に空気ブロア３０（空気供給手段）が配設されている。空気ブロア３０は、カソードガスとしての空気を燃料電池８の酸素極側に送給する。
【００２８】
空気供給手段として空気ブロア３０は、例えば、燃料ガスポンプ２１及び水ポンプ２６と同様に、電圧に比例して回転数が変動する形態のものが用いられ、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、空気供給流路２８を通して供給される空気の供給流量が増大（又は減少）する。
【００２９】
燃料電池８の燃料極及び酸素極の排出側には燃焼域３４が設けられ、燃料電池８の一端から排出された反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）と酸素極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とが、この燃焼域３４に送給されて燃焼される。燃焼域３４には排気ガス排出流路３６が連通され、その排出側は大気に開放され、燃焼域３４からの排気ガスが排気ガス排出流路３６を通して大気に排出される。
【００３０】
この実施形態では、気化器４、改質器６、燃料電池８及び燃焼域３４が収容ハウジング３８に収容されている。図示の収容ハウジング３８は、金属製（例えば、ステンレス鋼製）のハウジング本体４０を備え、このハウジング本体４０の内面を覆うように断熱部材（図示せず）が配設され、この断熱部材の内側に高温室４２が規定され、気化器４、改質器６及び燃料電池８は、この高温室４２内で高温状態に保たれ、高温室４２内の熱を利用して、気化器４において改質用水の気化が行われ、また改質器６において燃料ガスの水蒸気改質が行われる。
【００３１】
このような燃料電池システム２では、発電効率の低下などを抑えるために、改質器６における水蒸気改質ではＳ／Ｃを一定値（例えば、２．０程度）に維持するとともに、燃料電池８での燃料利用率を所定範囲（例えば、６５〜７０％程度）に維持するように、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量が制御される。
【００３２】
燃料ガス供給源１６から供給される燃料ガスは、例えばガスボンベに充填された燃料ガス（例えば、ＬＰガス）を用いたときにはそのガス組成が変動し、ガス組成が変動したときには、そのガス組成に対応して燃料ガス供給流量も変動するようにするのが望まれる。
【００３３】
例えば、燃料ガスとしてＬＰガスを用いた場合、このＬＰガスの大部分はプロパンであるが、エタン、ブタン、イソブタンなども含まれている。ガスボンベに充填されたＬＰガスは、図２に示すように、ガスボンベのボンベ使用率に応じてガス組成が変動し、これに伴ってガス熱容量も変動する。ＬＰガスを満充填したガスボンベを使用する場合、使用初期（ガスボンベの使用率が０〜８０％の範囲）においては、プロパンが主体とした燃料ガスが供給され、そのガス熱容量は９１ＭＪ／ｍ３程度であるが、使用後期（ガスボンベの使用率が８０％を超える）と、プロパンの含有量が減少するのに対しブタン及びイソブタンの含有量が増加した燃料ガスが供給され、そのガス熱容量は９５ＭＪ／ｍ３程度に上昇する。
【００３４】
このようなことから、この燃料電池システム２では、上述したように、燃料ガス供給流路１４に容積式ポンプ１８及び熱線式ガス流量計２０が設けられ、この容積式ポンプ１８は、燃料ガスのガス容積を計測し、熱線式ガス流量計２０は、この燃料ガスのガス熱容量を計測し、容積式ポンプ１８の計測ガス容積及び熱線式ガス流量計２０の計測ガス熱容量に基づいて、後述するように燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量を演算している。
【００３５】
一般的に、燃料ガスの組成が変動すると、この変動に伴い燃料電池８にて発電に寄与する電子数も変化し、Ｓ／Ｃを一定に維持するにはこの電子数の変化に伴い燃料ガスの供給流量も変化させる必要があり、例えば、燃料ガスのガス熱容量が上昇するということは、ブタン、イソブタンの含有量が多くなるということであり、燃料ガスの組成変動によりガス熱容量が上がるとその価数が上がるために、燃料ガスの供給流量を減らす必要がある。また、燃料ガスの組成変動によりガス熱容量が上がると燃料利用率が上がるために、燃料ガスの供給流量を減らす必要がある。
【００３６】
このようなことから、単位体積当たりのガス熱容量を演算し、このガス熱容量を利用して次のようにして燃料ガスのガス組成に対応して供給流量を制御し、このように制御することによって、燃料電池システム２の発電効率や耐久性の低下を抑えている。
【００３７】
この燃料電池システム２は、図３に示す制御系により制御され、この制御系は、例えばマイクロプロセッサなどから構成されるコントローラ５２を備えている。図示のコントローラ５２は、出力電力演算手段５４、ガス熱容量演算手段５６、燃料ガス供給流量演算手段５８、水供給流量演算手段６０、空気供給流量演算手段６２及び制御手段６４を含んでいる。出力電力演算手段５４は、発電電力が消費される電力負荷（図示せず）（例えば、家庭内の電力負荷）の負荷電力を検知する負荷電力検知手段６６からの負荷電力信号に基づいて出力電力（発電電力）を演算し、この出力電力が燃料電池システム２から電力負荷に供給される。
【００３８】
ガス熱容量演算手段５６は、容積式ポンプ１８及び熱線式ガス流量計２０からの測定信号に基づいて、単位体積当たりのガス熱容量を演算する。容積式ポンプ１８は、この容積式ポンプ１８を通過した単位時間（例えば、１分間）当たりの回転数Ｒを計測し、この回転数Ｒを用いると、単位時間当たりの通過ガス容積Ｖは、容積式ポンプ１８の一回転当たりの送出量をＣとすると、
単位時間当たりの通過ガス容積Ｖ＝回転数Ｒ×送出量Ｃ      ・・・（１）
となる。また、熱線式ガス流量計２０は、熱線式ガス流量計２０を通過した単位時間当たり（例えば、１分間）当たりのガス熱容量Ｓを計測し、この計測した計測ガス熱容量Ｓと通過ガス容積Ｖを用いると、燃料ガスの単位体積当たりの通過ガス熱容量Ｍは、
単位体積当たりの通過ガス熱容量Ｍ＝計測ガス熱容量Ｓ／通過ガス容積Ｖ
・・・（２）  
となり、ガス熱容量演算手段５６は、上述した演算式（１）及び（２）を利用して単位体積当たりのガス熱容量を演算する。
【００３９】
また、燃料ガス供給流量演算手段５８、水供給流量演算手段６０及び空気流量演算手段６２は、次のようにして燃料ガス、改質用水及び空気の供給流量を演算する。コントローラ５２は、更に、メモリ手段６６を含み、このメモリ手段６６には、燃料電池８の発電出力とガス熱容量（単位時間当たりのガス熱容量）との関係を示す発電出力／ガス熱容量データ、この発電出力と水量との関係を示す発電電力／水量データ、またこの発電出力と空気量との関係を示す発電出力／空気量データが登録されている。燃料ガス供給流量演算手段５８は、この発電出力／ガス熱容量データから読み出したガス熱容量Ｈ及び単位体積当たりの通過ガス熱容量Ｍを用いて燃料ガスの供給流量Ｄを演算し、この供給流量Ｄは、
供給流量Ｄ＝ガス熱容量Ｈ／単位体積当たりの通過ガス熱容量Ｍ      （３）
となり、このようにして燃料ガスの供給流量を演算する。また、水供給流量演算手段６０は、この発電出力／水量データから読み出した水量を用いて水の供給流量を演算し、空気供給流量演算手段６２は、この発電出力／空気量データから読み出した空気量を用いて空気の供給流量を演算する。
【００４０】
制御手段６２は、燃料ガスポンプ２１、水ポンプ２６及び空気ブロア３０等を制御し、燃料ガスポンプ２１については燃料ガス供給流量演算手段５８により演算された供給流量が供給されるように燃料ガスポンプ２１を制御し、水ポンプ２６については水供給流量演算手段６０により演算された供給流量が供給されるように水ポンプ２６を制御し、また空気ブロア３０については空気供給流量演算手段６２により演算された供給流量が供給されるように空気ブロア３０を制御する。
【００４１】
次に、主として図３及び４を参照して、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。燃料電池システム２の発電運転においては、燃料電池８の発電出力に応じた燃料ガス、水及び空気の供給が行われる（ステップＳ１）。即ち、水供給流量演算手段６０は、メモリ手段６６に登録された発電出力／水量データから読み出した水量を用いて水の供給流量を演算し（ステップＳ２）、また空気供給流量演算手段６２は、メモリ手段６６に登録された発電出力／空気量データから読み出した空気量を用いて空気の供給流量を演算する（ステップＳ３）。
【００４２】
また、容積式ポンプ１８は、供給される燃料ガスのガス容積と所定の関係のある回転数を計測し（ステップＳ４）、熱線式ガス流量計２０は、供給される燃料ガスのガス熱容量を計測し（ステップＳ５）、ガス熱容量演算手段５６は、容積式ポンプ１８の計測回転数（換言すると、計測ガス容積）及び熱線式ガス流量計２０の計測熱容量に基づいて上述したようにして燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量を演算する（ステップＳ６）。そして、燃料ガス供給流量演算手段５８は、この単位体積当たりのガス熱容量及びメモリ手段６６に登録された発電出力／ガス熱容量データから読み出したガス熱容量に基づいて燃料ガスの供給流量を演算する（ステップＳ７）。尚、運転当初においては、この燃料ガス供給流量演算手段５８は、メモリ手段６６に登録された発電電力／ガス熱容量データ及び単位体積当たりの基準ガス熱容量に基づいてこの供給流量を演算する。
【００４３】
このように燃料ガス、水及び空気の供給流量が演算されると、制御手段６２は、水の供給流量が演算された供給流量となるように水ポンプ１６の回転数を制御し（ステップＳ８）、空気の供給流量が演算された供給流量となるように空気ブロア３０の回転数を制御し（ステップＳ９）、また燃料ガスの供給流量が演算された供給流量となるように燃料ガスポンプ２１の回転数を制御し、このように制御することにより、燃料ガスの組成が変動してもそれに対応させて燃料電池システムを運転することができる。
【００４４】
このような運転は、燃料電池システム２の運転が終了するまで行われ、運転が終了すると、ステップＳ１１からステップＳ１２に移り、燃料電池システム２の運転が終了する。
【００４５】
次に、図５〜７を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態では、燃料ガス供給源として２つのガスボンベをり換えて燃料ガスを供給するように構成されている。尚、第２の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【００４６】
図５において、この第２の実施形態の燃料電池システム２Ａでは、燃料ガス供給源１６Ａが第１ガスボンベ７２及び第２ガスボンベ７４から構成されている。第１ガスボンベ７２は、第１ボンベ供給流路７６を通して燃料ガス供給流路１４に接続され、この第１ボンベ供給流路７６に第１開閉弁７８が配設されている。また、第２ガスボンベ７４は、第２ボンベ供給流路８０を通して燃料ガス供給流路１４に接続され、この第２ボンベ供給流路８０に第２開閉弁８２が配設されている。このように構成されているので、第１開閉弁７８を開状態にし、第２開閉弁８２を閉状態にすると、第１ガスボンベ７２からの燃料ガス（例えば、ＬＰガス）が第１ボンベ供給流路７６及び燃料ガス供給流路１４を通して気化器４に供給され、また第１開閉弁７８を閉状態にし、第２開閉弁８２を開状態にすると、第２ガスボンベ７４からの燃料ガス（例えば、ＬＰガス）が第２ボンベ供給流路８０及び燃料ガス供給流路１４を通して気化器４に供給される。
【００４７】
この第２の実施形態の制御系は、図６に示すように構成されている。この制御系のコントローラ５２Ａは、出力電力演算手段５４、ガス熱容量演算手段５６、燃料ガス供給流量演算手段５８、水供給流量演算手段６０、空気供給流量演算手段６２及びメモリ手段６６Ａに加えて、ガス積算使用量演算手段８４、ボンベ使用率演算手段８５、ボンベ切換判定手段８６，停止移行判定手段８８及び停止信号生成手段９０を含んでいる。また、メモリ手段６６Ａには、発電出力／ガス熱容量データ、発電出力／水量データ、発電出力／空気量データ、一回転当たりの送出量及び単位体積当たりの基準熱容量に加えて、切換判定データ及び停止移行データが登録されている。
【００４８】
ガス積算使用量演算手段８４は、容積式ポンプ１８の計測回転数（換言すると、計測ガス容積）に基づいて燃料ガスの積算使用量を演算し、ボンベ使用率演算手段８５は、ガス積算使用量演算手段８４による燃料ガスの積算使用量及びガス熱容量演算手段５６による単位体積当たりのガス熱容量に基づいてボンベ使用率を演算し、ボンベ切換判定手段８６は、ガス熱容量演算手段５６により演算された単位体積当たりのガス熱容量の変動に基づいて後述するようにしてガスボンベ７２，７４が切り換えられたかを判定する。また、停止移行判定手段８８は、ボンベ使用率演算手段８５により演算されたボンベ使用率に基づいて後述するようにして停止移行するかを判定し、停止信号生成手段９０は、停止移行判定手段８８の停止移行の判定に基づいて停止信号を生成する。この第２の実施形態の燃料電池システム２Ａのその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。
【００４９】
この第２の実施形態の燃料電池システム２Ａにおける燃料ガスの供給制御は、容積式ポンプ１８の測定回転数（換言すると、測定ガス容積）及び熱線式ガス流量計２０の計測ガス熱容量に基づいて第１の実施形態と同様に行われ、上述したと同様の作用効果が達成される。
【００５０】
また、この第２の実施形態では、ガスボンベ７２，７４内の燃料ガスが残り少なくなったときには、燃料電池システム２Ａが安全に運転停止されるように構成され、この運転停止への移行は、次のようにして行われる。
【００５１】
主として図６及び図７を参照して、燃料電池システム２Ａの発電運転中においては、容積式ポンプ１８は、その回転数により燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスのガス容積を計測し（ステップＳ２１）、熱線式ガス流量計２０は、この燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスのガス熱容量を計測し（ステップＳ２２）、ガス熱容量演算手段５６は、容積式ポンプ１８の計測ガス容積及び熱線式ガス流量計２０による計測ガス熱容量に基づいて上述したようにして単位体積当たりのガス熱容量を演算する（ステップＳ２３）。また、ガス積算使用量演算手段８４は、容積式ポンプ１８の計測ガス容積に基づいて燃料ガスの積算使用量を演算する（ステップＳ２４）。
【００５２】
このように演算が行われると、ボンベ切換判定手段８６は、ガス熱容量演算手段５６により演算された単位体積当たりのガス熱容量に基づきその熱量の増加量（変化量）を演算し、このガス熱容量が急変したときにはボンベ交換と判定する（ステップＳ２７）。
【００５３】
例えば、第１ガスボンベ７２（又は第２ガスボンベ７４）の燃料ガスが少なくなって第２ガスボンベ７４（又は第１ガスボンベ７６）からの燃料ガスに切り換わると、図２から理解される如く、第１ガスボンベ７２（又は第２ガスボンベ７４）のボンベ使用率が高いときにはこのガス熱容積が大きく、一方第２ガスボンベ７４（又は第１ガスボンベ７２）に切り換えてボンベ使用率が小さいときにはガス熱容量が小さくなり、ガスボンベ７２，７４の交換時を境に単位体積当たりのガス熱容量が急激に減少し、ボンベ切換判定手段８６は、このガス熱容量の急激な変動に基づいてボンベの切換判定を行う。
【００５４】
ガスボンベ７２，７４が新しいものに切り換わると、ステップＳ２８に進み、ガス積算使用量演算手段８４により演算された積算使用量がリセットされ、その後ステップＳ２１に戻る。
【００５５】
また、ガス熱容量が急変しないときには、ボンベ使用率演算手段８５は、ガス積算使用量演算手段８４によるガス積算使用量及びガス熱容量演算手段５６によるガス熱容量に基づいてボンベ使用率を演算する（ステップＳ２９）。図２から理解されるように、ガス算使用量が多くなると、これに伴ってボンベ使用率も高くなり、また単位体積当たりのガス熱容量が大きくなると、これに伴ってボンベ使用率も高くなり、このようなことを利用してボンベ使用率演算手段８５はボンベ使用率を演算する。
【００５６】
このようにボンベ使用率が演算されると、停止移行判定手段８８は、このボンベ使用率が所定ボンベ使用率（例えば、９０〜９５％に設定される）に達したかを判定し、所定ボンベ使用率に達していないときには、ステップＳ３０からステップＳ２１に戻る。
【００５７】
一方、このボンベ使用率が所定ボンベ使用率に達すると、ステップＳ３０からステップＳ３１に移り、停止移行判定手段８８は停止移行と判定し、停止信号生成手段９０は停止信号を生成し、制御手段６４Ａは、この停止信号に基づいて燃料電池システム２Ａの発電運転を所要の通りに停止させ、このように停止させることにより、ガスボンベ７２，７４内に燃料ガスが残っている状態で安全に運転停止することができる。
【００５８】
尚、この実施形態では、ボンベ使用率演算手段８５は、ガス積算使用量演算手段８４によるガス積算使用量及びガス熱容量演算手段５６によるガス熱容量に基づいてボンベ使用率を演算しているが、ガス積算使用量が多くなるとボンベ使用率も高くなることを利用してこのガス積算使用量のみに基づいてボンベ使用率を演算するようにしてもよく、或いは単位体積当たりのガス熱容量が大きくなるとボンベ使用率も高くなることを利用してこの単位体積当たりのガス熱容量のみに基づいてボンベ使用率を演算するようにしてもよい。
【００５９】
以上、本発明に従う燃料電池システムの実施形態について説明したが、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更や修正が可能である。
【００６０】
例えば、第１及び第２実施形態では、常時、容積式ポンプ１８により燃料ガスのガス容積を計測し、熱線式ガス流量計２０により燃料ガスのガス熱容量を計測し、これらの計測値を用いて単位体積当たりのガス熱容量を演算しているが、容積式ポンプ１８及び熱線式ガス流量計２０による計測については、所定時間（例えば、１時間程度）毎に測定するようにしてもよく、この場合、コントローラ５２（５２Ａ）は、タイマ手段（図示せず）を含むようになる。
【００６１】
この場合、例えば、図８に示すように、所定時間経過毎の時間ｔ１，ｔ２，ｔ３・・・において容積式ポンプ１８により燃料ガスのガス容積を測定し、また熱線式ガス流量計２０により燃料ガスのガス熱容量を測定し、これらの測定ガス容積及び測定ガス熱容量に基づいてガス熱容量演算手段５６により単位体積当たりのガス熱容量を演算するようにしてもよい。このとき、例えば時間ｔ２において上述したようにして単位体積当たりのガス熱容量Ｔ２を演算した場合、例えばこの時間ｔ２から次の測定時間ｔ３までの間の期間においては、燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量をこのガス熱容量Ｔ２を簡易的に用いるようにしてもよいが、次のようにしてこのガス熱容量Ｔに補正を加えるのが望ましい。
【００６２】
例えば、時間ｔ１における燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量がＴ１であり、時間Ｔ２における燃料ガスの単位体積当たりのガス熱容量がＴ２であるとすると、時間ｔ１におけるガス熱容量Ｔ１と時間ｔ２におけるガス熱容量Ｔ２とを例えば直線Ｌで結び、時間ｔ２と時間ｔ３の間におけるガス熱容量は、この直線Ｌの延長線上の値となるように時間とともに変化するように補正してもよく、このように補正することにより、簡易的ではあるが、単位体積当たりのガス熱容量をより正確に演算することができる。
【符号の説明】
【００６３】
２，２Ａ  燃料電池システム
４  気化器
６  改質器
８  燃料電池
１４  燃料ガス供給流路
１６，１６Ａ  燃料ガス供給源
１８  容積式ポンプ
２０  熱線式ガス流量計
２１  燃料ガスポンプ
５２，５２Ａ  コントローラ
５６  ガス熱容量演算手段
５６  燃料ガス供給流量演算手段
６４，６４Ａ  制御手段
７２，７４  ガスボンベ
８４  ガス積算使用量演算手段
８５  ボンベ使用率演算手段
８６  ボンベ切換判定手段
８８  停止移行判定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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