JP2010164032A - 液体抜出方法、容積ポンプシステム及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】容積ポンプの作動不良の発生を抑制すること。
【解決手段】容積ポンプ１１は電動機の回転運動をプランジャの往復直線運動に変換して液体ｓを輸送する。容積ポンプシステム１０は、容積ポンプ１１と、貯留タンク１２と、吸込細管１４と、液体抜取手段１８とを備える。容積ポンプシステム１０から液体ｓを抜く際は、容積室内及び吸込細管１４内に液面が現れている状態に液体ｓの液位を維持すると、乾燥状態になることによって生じ得る容積ポンプ１１の作動不良の発生を抑制できる。また、容積ポンプ１１運転中に作動不良が生じたときは、電動機の回転速度及び／又はトルクを変化させると異常が解消する場合がある。燃料電池システムは、容積ポンプシステム１０と、改質器と、燃料電池とを備え、容積ポンプ１１の吐出流量、改質器及び／又は燃料電池の状態から、容積ポンプ１１の異常の可能性を検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は液体抜出方法、容積ポンプシステム及び燃料電池システムに関し、特に容積ポンプの作動不良の発生を抑制することができる液体抜出方法、作動不良の発生を抑制することができる容積ポンプシステム、及びこの容積ポンプシステムを備える燃料電池システムに関する。

近年普及が期待されている燃料電池は、水素と酸素とを導入してこれらの電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の炭化水素系の原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を燃料電池に併設した燃料電池システムを構築することが多い。このような燃料電池システムは、燃料電池と、改質器と、原料を改質器に供給する原料搬送機器（原料ガスブロワ等）及び原料の水蒸気改質に用いられる水（改質用水）を改質器に供給するプロセス水ポンプ（改質用水ポンプ）を備えているのが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−３２３９７２号公報（図５等）

改質器における原料の水蒸気改質反応は、原料と改質用水とが所定のモル比で反応することにより所定量の改質ガスが生成されるため、改質ガスへ供給される原料及び改質用水の流量は、適切に制御されることが好ましい。そのため、原料及び改質用水を改質器に供給する搬送機器として、送出流量を適切に制御しやすい容積式のものが用いられる。原料を改質器に供給する原料搬送機器として、例えば原料が液体（灯油等）の場合は、交流電源を半波整流した電圧を印加して電磁吸引力とばねの付勢力により可動されるプランジャの往復動によって液体を送出する電磁ポンプを採用するのが好ましい。他方、改質用水については、一般に液体原料よりも改質器に供給される流量が多く、電磁ポンプでは流体搬送出力が不足する場合があるため、比較的大きな出力が得やすい容積式のポンプである、電動機の回転運動を往復直線運動に変換するリンク機構を有し、このリンク機構の往復直線運動に伴う容積室の容積変化により液体を輸送する容積ポンプを採用するのがよい。

しかしながら、上述の回転運動を往復直線運動に変換して容積変化させる容積ポンプは、使用状況によっては作動不良を起こし、正常に流体を搬送できない場合があった。

本発明は上述の課題に鑑み、容積ポンプの作動不良の発生を抑制することができる液体抜出方法、作動不良の発生を抑制することができる容積ポンプシステム、及びこの容積ポンプシステムを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る液体抜出方法は、例えば図１及び図２を参照して示すと、電動機１１ｍと、電動機１１ｍの回転運動を往復直線運動に変換するリンク機構１１ｊ、１１ｐとを有し、リンク機構１１ｐの往復直線運動に伴う容積室１１ｒの容積変化により液体ｓを輸送する容積ポンプ１１と、容積ポンプ１１に供給される液体ｓを一旦貯留する貯留タンク１２と、貯留タンク１２に貯留されている液体ｓを容積ポンプ１１に導く吸込細管１４とを備える容積ポンプシステム１０から、液体ｓを抜き出す液体抜出方法であって；容積ポンプシステム１０から液体ｓを排出する排出工程と；容積室１１ｒ内及び吸込細管１４内に液面が現れている状態に液体ｓの液位を維持する液位維持工程とを備える。

このように構成すると、系内から液体抜きをする際に、液面が吸込細管内に現れている状態になるので大気に触れる面が極小さくなってバクテリア等の繁殖が抑制されると共に、容積ポンプには液体が残るので乾燥状態になることによって例えば液体中に溶存していた異物が析出することに起因する作動不良の発生を抑制することができる。

また、本発明の第２の態様に係る液体抜出方法は、例えば図１及び図２を参照して示すと、上記本発明の第１の態様に係る液体抜出方法において、前記液位維持工程の前に、容積室１１ｒに空気を導入する空気導入工程と；前記空気導入工程の後に容積室１１ｒ内に液体ｓを供給する液体供給工程とを備える。

このように構成すると、容積室内に現れる液体の液面の高さの調節が容易になる。

上記目的を達成するために、本発明の第３の態様に係る容積ポンプシステムは、例えば図１及び図２に示すように、電動機１１ｍと、電動機１１ｍの回転運動を往復直線運動に変換するリンク機構１１ｊ、１１ｐとを有し、リンク機構１１ｐの往復直線運動に伴う容積室１１ｒの容積変化により液体ｓを輸送する容積ポンプ１１と；容積ポンプ１１に供給される液体ｓを一旦貯留する貯留タンク１２であって、容積ポンプ１１よりも高所に配置されて大気に開放された貯留タンク１２と；貯留タンク１２に貯留されている液体ｓを容積ポンプ１１に導く、流路断面積が０．１ｍｍ^２以上４００ｍｍ^２以下の吸込細管１４と；容積ポンプ１１が停止しているときに、容積室１１ｒの最高位よりも高い位置かつ吸込細管１４内に液面が現れている状態になるように液体ｓを貯留タンク１２から抜く液体抜取手段１８、１８ｖとを備える。

このように構成すると、系内から液体抜きをする際に、液面が吸込細管内に現れている状態になるので大気に触れる面が極小さくなってバクテリア等の繁殖が抑制されると共に、容積ポンプには液体が残るので作動不良の発生を抑制することができる。

上記目的を達成するために、本発明の第４の態様に係る容積ポンプシステムは、例えば図３及び図２に示すように、電動機１１ｍと、電動機１１ｍの回転運動を往復直線運動に変換するリンク機構１１ｊ、１１ｐとを有し、リンク機構１１ｐの往復直線運動に伴う容積室１１ｒの容積変化により液体ｓを輸送する容積ポンプ１１と；容積ポンプ１１の動作の異常を検出する異常検出手段１２ｓ、１２ｖと；前記異常検出手段が異常を検出したときに電動機１１ｍの回転速度を性能線図上で変化させるように制御する制御装置１９とを備える。ここで回転速度を性能線図上で変化させることには、典型的には、例えば異常の発生により一時的に負荷が大きくなりすぎたため現実には回転速度の変化がない場合でも、異常の発生がなく負荷が変化しないと仮定した場合に回転速度が変化する場合が含まれる。

このように構成すると、回転速度を性能線図上で変化させることにより異常が解消する場合があり、異常が解消した場合は特別なメンテナンスをすることなく運転を継続することができる。

また、本発明の第５の態様に係る容積ポンプシステムは、例えば図３及び図４に示すように、上記本発明の第４の態様に係る容積ポンプシステム１０Ａにおいて、電動機１１ｍの出力可能なトルクを変化させるドライバ４９を備え；制御装置１９が、異常検出手段１２ｓ、１２ｖが異常を検出したときに電動機１１ｍの出力可能なトルクを変化させる。ここで、出力可能なトルクとは、典型的には、トルクの最大値である。

このように構成すると、出力可能なトルクが変化することによって電動機の運転条件が変化して異常が解消する場合があり、異常が解消した場合は特別なメンテナンスをすることなく運転を継続することができる。

また、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、例えば図３に示すように、上記本発明の第４の態様又は第５の態様に係る容積ポンプシステム１０Ａと；容積ポンプ１１から吐出された液体ｓと、炭化水素系の原料ｍとを導入し、原料ｍを改質して水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質器２０と；改質器２０で生成された改質ガスｇと、酸素を含有する酸素含有ガスｔと、を導入して発電する燃料電池３０とを備え；異常検出手段が、容積ポンプ１１が搬送する液体ｓの流量の異常、改質器２０の状態の異常、及び燃料電池３０の状態の異常のうち少なくとも１つの異常を検出するように構成されている。

このように構成すると、異常が解消した場合は特別なメンテナンスをすることなく運転を継続することができる燃料電池システムとなる。

本発明によれば、容積ポンプの作動不良の発生を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る容積ポンプシステムを備える燃料電池システムの模式的系統図である。 容積ポンプの概略構造を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）及び（ｃ）はシリンダまわりの軸平行断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 ドライバまわりの系統図である。 電動機の運転特性の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る容積ポンプシステム１０を備える燃料電池システム１を説明する。図１は、燃料電池システム１の模式的系統図である。燃料電池システム１は、容積ポンプシステム１０の他、燃料電池３０と、燃料電池３０に供給する改質ガスｇを生成する改質器２０とを備えている。

改質器２０は、原料ｍと液体としての改質用水ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料ｍの水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する加熱部２３とを備えている。原料ｍは、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料ｍが改質され、生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。加熱部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されており、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸素含有ガスとしての酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応で、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。

アノード３１と改質部２５とは、改質ガス管５１を介して接続されている。また、アノード３１からは、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐが排出されるようになっている。カソード３２には、酸化剤ガスｔを供給するための酸化剤ガス管５４が接続されている。また、カソード３２からは、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑが排出されるようになっている。酸化剤ガス管５４には空気ブロワ２９が配設されている。空気ブロワ２９は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができるように構成されている。また、酸化剤ガス管５４には、典型的には、酸化剤ガスｔを加湿する加湿器（不図示）が配設される。

容積ポンプシステム１０は、改質器２０に改質用水ｓを供給するためのシステムである。容積ポンプシステム１０は、改質用水ｓを搬送する容積ポンプ１１と、改質用水ｓを容積ポンプ１１に導く前に一旦貯留する貯留タンク１２と、貯留タンク１２に貯留されている改質用水ｓを容積ポンプ１１に導く吸込細管１４と、容積ポンプ１１から吐出された改質用水ｓを改質器２０に導く吐出細管１５と、貯留タンク１２内から改質用水ｓを抜く液体抜取手段としての抜取管１８とを備えている。

ここで図２を参照して、容積ポンプ１１の構成を説明する。図２は、容積ポンプ１１の概略構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）及び（ｃ）は、シリンダ１１ｃ部分の軸平行断面図である。容積ポンプ１１は、電動機１１ｍと、シリンダ１１ｃ及びプランジャ１１ｐと、電動機１１ｍとプランジャ１１ｐとを接続する接続部材１１ｊとを有している。電動機１１ｍは、その軸１１ｍｓが軸回りに回転する。電動機１１ｍの軸１１ｍｓとプランジャ１１ｐとは、軸１１ｍｓとプランジャ１１ｐの軸とが、平面視においては所定の角度を有するように（図２（ａ）参照）、側面視においては同一の仮想直線上に位置するように（不図示）、接続部材１１ｊを介して接続されている。接続部材１１ｊは、円筒状に形成された部材であり、その一端面における円の中心に電動機１１ｍの軸１１ｍｓが接続されている。また、接続部材１１ｊは、円筒内部に棒状の内部部材（不図示）を有している。内部部材（不図示）は、プランジャ１１ｐの軸及び電動機１１ｍの軸１１ｍｓに直交するように配置され、一端がプランジャ１１ｐの一端側面に固定され、他端が接続部材１１ｊの円筒内側面に摺動可能に接続されている。接続部材１１ｊは、電動機１１ｍによって円筒の軸回りに回転させられると、軸１１ｍｓとプランジャ１１ｐの軸とが平面視において所定の角度を有しており、かつ内部部材（不図示）が接続部材１１ｊの円筒内側面を貫通する方向に摺動することによって、プランジャ１１ｐを往復直線運動させるように構成されている。本実施の形態に係る容積ポンプ１１では、接続部材１１ｊと、プランジャ１１ｐとでリンク機構を構成している。プランジャ１１ｐは、円筒状に形成されたシリンダ１１ｃ内部に嵌挿されている。電動機１１ｍとシリンダ１１ｃとは、フレーム１１ｆによって相対的な位置関係が固定されている。

図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、シリンダ１１ｃは、円筒の軸を通る部分に、プランジャ１１ｐが摺動可能なクリアランスを含めてプランジャ１１ｐを収容する空間が形成されている。シリンダ１１ｃの、反電動機１１ｍ側には、円筒の軸直角断面半径方向に延びる改質用水ｓの吸込流路１１ｃｓ及び吐出流路１１ｃｄが形成されている。吸込流路１１ｃｓ及び吐出流路１１ｃｄは、円筒形状のシリンダ１１ｃの軸直角断面に現れる円の中心を通る仮想直線上に、同じ口径で形成されている。また、シリンダ１１ｃは、吸込流路１１ｃｓの外側端部に続いて大きな流路が外側に延びており、この大きな流路の端部に吸込細管１４（図１参照）が接続される吸込口１１ｈｓが形成されている。また、反対側には、吐出流路１１ｃｄの外側端部に続いて延びる大きな流路の端部に吐出細管１５（図１参照）が接続される吐出口１１ｈｄが形成されている。

プランジャ１１ｐは、円柱状に形成されており、反電動機１１ｍ側の側面に溝１１ｐｇが形成されている。プランジャ１１ｐに形成された溝１１ｐｇは、幅及び深さが、吸込流路１１ｃｓ及び吐出流路１１ｃｄの直径と同様の大きさに形成されている。プランジャ１１ｐは、電動機１１ｍの回転によって、その先端面１１ｐｅが、シリンダ１１ｃの内端面１１ｃｅに接する位置すなわち下死点（図２（ｂ）参照）と、プランジャ１１ｐが下死点から移動して移動方向が切り替わる位置すなわち上死点（接続部材１１ｊの構造によって定まる所定の距離（例えばプランジャ１１ｐ直径の１．５〜３倍程度）だけ下死点から電動機１１ｍ側に移動した位置）（図２（ｃ）参照）との間を、軸回りに回転しながら往復運動するように構成されている。シリンダ１１ｃの内面には吸込流路１１ｃｓ及び吐出流路１１ｃｄから始まり周方向に延びるそれぞれ半周の溝が形成されている。プランジャ１１ｐに形成された溝１１ｐｇは前記半周の溝のいずれかに連通するが同時に連通することはない。プランジャ１１ｐの溝１１ｐｇは、ほぼ下死点で吐出流路１１ｃｄに出会う位置から、軸方向に先端面１１ｐｅまで延びている。プランジャ１１ｐの溝１１ｐｇは、下死点と上死点では、吸込流路１１ｃｓ及び吐出流路１１ｃｄのいずれにも連通しない。前記半周の溝は、半周と言っても実際は半周よりは少し短く、上死点と下死点で吸込流路１１ｃｓと吐出流路１１ｃｄのいずれにも連通しないような長さに形成されている。このような半周の溝が形成されているので、プランジャ１１ｐが軸回りに回転しながら往復運動することにより、溝１１ｐｇと吐出流路１１ｃｄ及び吸込流路１１ｃｓとの関係が以下のように変化する。プランジャ１１ｐが軸回りに回転して下死点から上死点に至る間は、溝１１ｐｇは、吐出流路１１ｃｄには連通せず、前記半周の溝を介して吸込流路１１ｃｓに連通する。プランジャ１１ｐが軸回りに回転して上死点から下死点に至る間は、溝１１ｐｇは、吸込流路１１ｃｓには連通せず、前記半周の溝を介して吐出流路１１ｃｄに連通する。溝１１ｐｇは、プランジャ１１ｐが下死点と上死点に位置しているときは、吐出流路１１ｃｄと吸込流路１１ｃｓのいずれにも連通しない。シリンダ１１ｃの内端面１１ｃｅとプランジャ１１ｐの先端面１１ｐｅとの間には、吸い込んだ改質用水ｓが存在可能な容積室１１ｒが形成される。容積室１１ｒは、プランジャ１１ｐの溝１１ｐｇと連通している。なお、プランジャ１１ｐには、溝ｐｇよりも電動機１１ｍ寄り、かつ、プランジャ１１ｐの往復動によって吐出流路１１ｃｄ及び吸込流路１１ｃｓに連通しない位置に、シリンダ１１ｃとプランジャ１１ｐとの隙間を伝って容積室１１ｒから移動してきた液体を保有できる溝１１ｐｈが、外側面周方向に形成されていてもよい。溝１１ｐｈが形成されていると、シリンダ１１ｃとプランジャ１１ｐとの隙間が乾燥状態になることを抑制することができる。また、本実施の形態では、シリンダ１１ｃの内面に吸込流路１１ｃｓ及び吐出流路１１ｃｄから始まり周方向に延びるそれぞれ半周の溝が形成されているものとしたが、その代わりに、プランジャ１１ｐに形成された溝１１ｐｇが、プランジャ１１ｐの外面の周方向に半周（実際は前述のように半周よりもすこし短い）の切欠きとして形成されていてもよい。要は、プランジャ１１ｐに形成された溝１１ｐｇが、吐出流路１１ｃｄ及び吸込流路１１ｃｓと交互に連通し、上死点と下死点ではいずれにも連通しないように構成されていればよい。

上記のように構成された容積ポンプ１１は、プランジャ１１ｐの先端面１１ｐｅが電動機１１ｍ寄りに位置しているときに吸込流路１１ｃｓ及び溝１１ｐｇを介して容積室１１ｒに改質用水ｓを取り込み、プランジャ１１ｐが内端面１１ｃｅ側に移動するにつれて容積室１１ｒが小さくなりつつ軸回りに回転して、溝１１ｐｇが吐出流路１１ｃｄに連通するようになると、容積室１１ｒが小さくなることに伴い改質用水ｓが吐出流路１１ｃｄを介して導出されるように作用する。本実施の形態に係る容積ポンプ１１は、上述の各部材が協働することにより、電動機１１ｍの回転運動がプランジャ１１ｐの往復直線運動に変換され、プランジャ１１ｐの往復直線運動に伴う容積室１１ｒの容積変化により、改質用水ｓが吐出されるようになっている。このように作用する容積ポンプ１１は、容積式ポンプであるため、遠心式ポンプ等に比べて流体を定量搬送するのに適している。このような容積ポンプの一例として、特開平２００１−２４８５４３号公報に開示されたプランジャポンプがある。なお該開示されたポンプにおいて、ピン３４は球面玉軸受１１に対してピン３４の中心軸線方向に滑動可能に嵌合されているとよい。

再び図１に戻って、容積ポンプシステム１０の構成の説明を続ける。貯留タンク１２は、容積ポンプ１１に重力で改質用水ｓを供給可能なように、容積ポンプ１１よりも高所に設置されている。貯留タンク１２は、本実施の形態では、直方体形状で、有効容量は１００〜５００ｃｃ程度、底面積が２５〜５０ｃｍ^２程度に形成されている。貯留タンク１２は、大気と連通する開放型となっている。貯留タンク１２には、系外から導入する改質用水ｓを流す導入管１３が接続されている。導入管１３には、流路を開閉可能な開閉弁１３ｖが挿入配置されている。開閉弁１３ｖは、貯留タンク１２内の改質用水ｓの液面が所定の高さ（幅があってもよい）となるべく、流路の開閉が行われるように構成されている。

貯留タンク１２の底面と、容積ポンプ１１の吸込口１１ｈｓ（図２参照）とは、改質用水ｓを流す吸込細管１４で接続されている。吸込細管１４は、本実施の形態では、流路断面積が０．１〜４００ｍｍ^２程度の金属製又は合成樹脂製の管で形成されている。吸込細管１４には、改質用水ｓを系外に導く液体抜取手段を構成する抜取管１８が接続されている。抜取管１８には、流路を開閉可能な抜取弁１８ｖが挿入配置されている。抜取弁１８ｖは、制御装置１９と信号ケーブルで接続されており、制御装置１９からの指令信号に応じて流路が開閉されるように構成されている。容積ポンプ１１の吐出口１１ｈｄ（図２参照）と改質器２０の改質部２５とは、吐出細管１５で接続されている。吐出細管１５は、本実施の形態では、吸込細管１４と同様、流路断面積が０．１〜４００ｍｍ^２程度の金属製又は合成樹脂製の管で形成されている。

上述のように構成された燃料電池システム１において、本発明者らは、時に容積ポンプ１１が正常に改質用水ｓを搬送できない作動不良に陥ることがあるという知見を得ている。本発明者らが鋭意研究したところ、燃料電池システム１（容積ポンプシステム１０）を構築して最初に稼働したときや、長期間システムを作動させない予定のために一旦容積ポンプシステム１０から水を抜いた後に稼働したときに、作動不良を起こすことが確認された。作動不良の原因を明確に特定することは困難であるが、発生状況に鑑みると、シリンダ１１ｃとプランジャ１１ｐとの間のごくわずかな隙間に異物が存在する可能性や、ポンプの構造上プランジャ１１ｐが往復直線運動する際に電動機１１ｍの回転運動に応じてプランジャ１１ｐの軸直角方向に力が作用することと（微視的に見ればプランジャ１１ｐの軸が電動機１１ｍの回転と同期して円運動をするために生じているかもしれない）プランジャ１１ｐとシリンダ１１ｃとの間が乾燥時に無潤滑となっていることとが相俟って接触抵抗が上がりやすい状態となっている可能性を推察することができる。シリンダ１１ｃとプランジャ１１ｐとの間の隙間は、異物が侵入しにくい距離であったとしても、改質用水ｓにシリカ成分が溶存していた場合は水分が蒸発した後にシリカ成分が析出してこれが異物となってプランジャ１１ｐの動きを妨げることが考えられる。本発明の第１の実施の形態に係る容積ポンプシステム１０は、容積ポンプ１１の作動不良の発生を抑制するため、以下のように作用する。

すなわち、容積ポンプシステム１０は、例えば長期間作動させる予定がない場合等に、貯留タンク１２から抜取管１８を介して改質用水ｓを抜くことができると共に、容積ポンプ１１から完全に改質用水ｓを抜くのではなく容積ポンプ１１の容積室１１ｒ及び吸込細管１４内に改質用水ｓの液面が現れている状態に維持するように構成されている。このとき、典型的には、吐出細管１５にも改質用水ｓの液面が現れている。比較的気液接触面積が大きい貯留タンク１２内に改質用水ｓの液面が現れている状態で改質用水ｓを滞留させるとバクテリア等が繁殖する場合があり、次回容積ポンプシステム１０を起動させるときに作動不良が生じることがある。そのため、バクテリア等の繁殖のおそれが懸念されるほど長期間作動させる予定がない場合は、容積ポンプシステム１０から改質用水ｓを完全に除去することが好ましい。しかしながら、改質用水ｓを完全に除去すると、容積ポンプ１１のシリンダ１１ｃとプランジャ１１ｐとの間にも水分がなくなってしまい、容積ポンプ１１が作動不良を起こすおそれがあることから、本実施の形態では容積室１１ｒ並びに吸込細管１４内及び吐出細管１５内に改質用水ｓの液面が現れている状態に維持することとしている。このとき、吸込細管１４内及び吐出細管１５内に現れている改質用水ｓの気液接触面積が０．１〜４００ｍｍ^２程度であるため、仮に大気に触れる吸込細管１４及び吐出細管１５内でバクテリア等が繁殖してもその量はわずかであり、容積ポンプシステム１０の作動不良は低減される。

容積ポンプシステム１０は、貯留タンク１２から改質用水ｓを抜く際、制御装置１９が抜取弁１８ｖに信号を送信し抜取弁１８ｖを開にして、抜取管１８から改質用水ｓを排出する（排出工程）。容積ポンプシステム１０は、上述のように、運転中に貯留タンク１２内の液位が所定の高さになるように制御されているところ、制御装置１９は、あらかじめ記憶されている、容積ポンプシステム１０の構成（貯留タンク１２の容量、吸込細管１４及び吐出細管１５の口径や位置関係等）により定まる抜取弁１８ｖを開いてから貯留タンク１２内の改質用水ｓがなくなるまでに要する時間が経過後に、抜取弁１８ｖを閉にして、容積室１１ｒ並びに吸込細管１４内及び吐出細管１５内に改質用水ｓの液面が現れている状態に維持する（液位維持工程）。なお、上記の排出工程において容積ポンプシステム１０から一旦改質用水ｓをすべて排出して容積室１１ｒに空気を導入し（空気導入工程）、その後容積室１１ｒ並びに吸込細管１４内及び吐出細管１５内に改質用水ｓの液面が現れるようになるまで容積ポンプシステム１０に改質用水ｓを供給する（液体供給工程）こととしてもよい。このようにすると、排出工程開始時の貯留タンク１２内の液位が所定の液位になっていなかった場合であっても、確実に容積室１１ｒ及び吸込細管１４内に改質用水ｓの液面が現れている状態にすることができる。また、いずれの場合も、抜取弁１８ｖが手動で操作されるように構成されていてもよい。この場合、抜取弁１８ｖは、比較的高価な自動弁を用いることなく、比較的安価な手動弁を用いることができる。

次に図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム２を説明する。図３は、燃料電池システム２の模式的系統図である。燃料電池システム２の、燃料電池システム１（図１参照）と異なる点は、容積ポンプ１１に異常が発生した可能性を検出することができる異常検出手段を備えている点、及び容積ポンプシステム１０Ａの作動中に容積ポンプ１１の異常が発生した場合に不具合の解消を試みる措置を制御装置１９が実行できる点である。その他、燃料電池システム１（図１参照）と同一符号で示されている部材は燃料電池システム１（図１参照）における場合と同様に作用するので、以下では説明を省略する。また、以下の説明では、図３の他、容積ポンプ１１の構成を示す図２も適宜参照することとする。異常検出手段は、図３に示す、容積ポンプ１１が搬送する改質用水ｓの流量の異常を検出することができる貯留タンク１２の液位センサ１２ｓ及び排出弁１２ｖ、又は改質用水流量計１５ｆ若しくは改質用水圧力計１５ｐ、あるいは改質器２０の異常を検出することができる改質部温度計２５ｔ、又は改質ガス流量計５１ｆ若しくは改質ガス圧力計５１ｐ、あるいは燃料電池３０の状態を検出することができる電力検出器３４のうちの少なくとも１つを備えていればよいが２つ以上を備えていてもよい。

液位センサ１２ｓは、貯留タンク１２内の改質用水ｓの、上述した所定の高さと、この所定の高さよりも高い高液位を検出することができるように構成されている。排出弁１２ｖは、貯留タンク１２の下部（典型的には底部）に接続された排出管１２ｅに挿入配置されている。液位センサ１２ｓ及び排出弁１２ｖは、それぞれ制御装置１９に信号ケーブルで接続されている。燃料電池システム２は、燃料電池３０における電気化学的反応により発生した水や、加熱部２３から排出されたバーナーの燃焼排ガス中に含まれる水等を回収して改質用水ｓとして利用することが可能であり、燃料電池システム２内の回収可能な部分から回収した水分流量の合計が、改質器２０に供給される改質用水ｓの流量よりも多くなる（いわゆる水余り）ことが一般的である。燃料電池システム２は、液位センサ１２ｓが高液位を検出したときに、排出弁１２ｖが制御装置１９からの信号を受信して貯留タンク１２内の液位が所定の高さに下がるまで排出弁１２ｖを開の状態にするように構成されている。制御装置１９は、排出弁１２ｖが開になる間隔が短くなった場合に、容積ポンプ１１に異常が発生したために改質器２０への改質用水ｓの供給流量が減少したと仮定して、容積ポンプ１１の異常の可能性を検出することができる。

改質用水流量計１５ｆは、吐出細管１５に設けられており、吐出細管１５内を流れる改質用水ｓの流量を検出することができるように構成されている。改質用水圧力計１５ｐは、吐出細管１５に設けられており、吐出細管１５内を流れる改質用水ｓの流量を検出することができるように構成されている。制御装置１９は、改質用水流量計１５ｆで検出された改質用水ｓの流量若しくは改質用水圧力計１５ｐで検出された吐出細管１５内の圧力が、容積ポンプシステム１０Ａが正常に作動している場合の値に比べて小さい場合に、容積ポンプ１１に異常が発生したために改質器２０への改質用水ｓの供給流量が減少したと仮定して、容積ポンプ１１の異常の可能性を検出することができる。

改質部温度計２５ｔは、改質部２５内の温度を検出する計器である。改質部２５内における原料ｍの水蒸気改質反応は、加熱部２３で発生した熱を利用する吸熱反応であり、改質部２５内に供給される改質用水ｓの流量が少なく水蒸気改質反応の反応量が少ない場合は改質部２５内の温度が高温となる傾向にある。制御装置１９は、改質部温度計２５ｔで検出された温度が、燃料電池システム２が正常に作動している場合の値に比べて大きい場合に、容積ポンプ１１に異常が発生したために改質部２５への改質用水ｓの供給流量が減少して水蒸気改質反応量が減少し、これによって改質部２５内の温度が上昇したと仮定して、容積ポンプ１１の異常の可能性を検出することができる。

改質ガス流量計５１ｆは、改質ガス管５１に設けられており、改質ガス管５１内を流れる改質ガスｇの流量を検出することができるように構成されている。改質ガス圧力計５１ｐは、改質ガス管５１に設けられており、改質ガス管５１内を流れる改質ガスｇの圧力を検出することができるように構成されている。制御装置１９は、改質ガス流量計５１ｆで検出された改質ガスｇの流量若しくは改質ガス圧力計５１ｐで検出された改質ガス管５１内の圧力が、燃料電池システム２が正常に作動している場合の値に比べて小さい場合に、容積ポンプ１１に異常が発生したために改質器２０への改質用水ｓの供給流量が減少し、これによって生成される改質ガスｇが減少したと仮定して、容積ポンプ１１の異常の可能性を検出することができる。

電力検出器３４は、燃料電池３０における電気化学的反応によって発生した電力の電圧及び電流を検出することができるように構成されている。燃料電池３０に供給される酸化剤ガスｔの流量に対して、燃料電池３０で発生した電力（電圧及び／又は電流）の値が小さい場合は、容積ポンプ１１に異常が発生したために改質器２０への改質用水ｓの供給流量が減少し、これによって生成される改質ガスｇが減少したことが原因の場合もあり得る。このように、制御装置１９は、電力検出器３４で検出された電力値が、正常に作動しているときの燃料電池システム２の燃料電池３０において発生した電力の値に比べて小さい場合に、容積ポンプ１１の異常の可能性を検出することができる。

制御装置１９は、上述の異常検出手段のいずれかが容積ポンプ１１の異常の可能性を検出したときに、容積ポンプ１１の電動機１１ｍの回転速度を性能線図上で変化させるように構成されている。電動機１１ｍの回転速度を性能線図上で変化させるとは、例えば、シリンダ１１ｃ内に異物が存在するために電動機１１ｍの軸１１ｍｓがロックしてしまった場合は実際には軸１１ｍｓが回らないが、異物に代表される本来の負荷以外の負荷が存在せずに軸１１ｍｓが正常に回転すると仮定したときに、電動機１１ｍの回転速度を変えることをいい、典型的には電動機１１ｍの入力を変化させることで電動機１１ｍの出力が調節されて実現される。以下の説明で単に「回転速度を変化させる」という場合は、実際に回転速度が変わる場合のほか、回転速度を性能線図上で変化させる場合も含まれることとする。本発明者らは、燃料電池システム２（容積ポンプシステム１０Ａ）を構築して最初に稼働したときや、長期間システムを作動させない予定のために一旦容積ポンプシステム１０Ａから水を抜いた後に稼働したときに、起動直後は作動していても所定の期間（例えば３日程度）が経過するまでの間に容積ポンプ１１から改質用水ｓが正常に吐出されなくなる場合があるという知見を得ている。本発明者らが鋭意研究したところ、このような場合に電動機１１ｍの回転速度を性能線図上で変化させると容積ポンプ１１の不具合が解消し、正常に作動するようになる場合があることを突き止めた。

本発明者らの研究によると、上記の不具合の解消は、電動機１１ｍの回転速度を小さくすることによって達成される場合がある一方で、電動機１１ｍの回転速度を大きくすることによって達成される場合もある。したがって、制御装置１９は、上述の異常検出手段が容積ポンプ１１の異常の可能性を検出した場合に、まず、電動機１１ｍの回転速度を低下させるとよい。例えば電動機１１ｍの回転速度を低下させるとトルクが大きくなる場合は、回転速度を低下させて大きくなったトルクにより、例えばシリンダ１１ｃとプランジャ１１ｐとの間に異物（シリカ成分等）が存在したために正常に作動しなかった容積ポンプ１１が正常に作動するようになる場合がある。制御装置１９は、電動機１１ｍの回転速度を低下させても不具合が解消しない場合には、電動機１１ｍの回転速度を高くする。この場合、より高速に回転する勢いでプランジャ１１ｐが正常に動くようになる場合がある。

あるいは図４に示すように、電動機１１ｍの出力可能なトルクを変化させるドライバ４９を備え、上述の異常検出手段が容積ポンプ１１の異常の可能性を検出した場合に、電動機１１ｍに対して、出力可能なトルクを変化させることにより、回転速度を変えることに代えて、あるいは回転速度を変えつつ、トルクを変化させるように構成してもよい。ドライバ４９は、電動機１１ｍに印加される電圧を高電圧とする高トルク回路（不図示）と、低電圧とする低トルク回路（不図示）とを有している。高トルク回路には接点４９Ｈが設けられており、低トルク回路には接点４９Ｌが設けられている。ドライバ４９は、接点４９Ｈ、４９Ｌを切り換えることにより、使用する回路を高トルク回路とするか低トルク回路とするかを選択できるように構成されている。接点４９Ｈ、４９Ｌの切り換えは、ドライバ４９内に設けられたリレー４９ｒによって行われるように構成されている。制御装置１９は、ドライバ４９に対し、回転速度の指令信号ＳＮＬｒと、高トルクとするか低トルクとするかのトルク指令信号ＳＮＬｔとを送信するように構成されている。ドライバ４９は、制御装置１９から、回転速度の信号ＳＮＬｒを受信すると共にトルクの信号ＳＮＬｔを受信して、指定された回転速度に対して指定された方のトルクで電動機１１ｍを回転させるように構成されている。

図５には、電動機１１ｍの運転特性の一例を示している。電動機１１ｍの出力可能なトルクを変化させるとは、例えば図５に示すように、電動機１１ｍの運転特性を、性能曲線ＣＨと性能曲線ＣＬとの間で変化させることである。図５に示す例では、横軸に示す回転速度が小さいほど縦軸に示すトルクが大きくなり、性能曲線ＣＨの方が性能曲線ＣＬよりも出力可能なトルク（最大トルク）が大きくなっている。電動機１１ｍの実際の運転点は負荷によって定まり（性能曲線（性能線図）と不図示の抵抗曲線（負荷曲線）との交点が運転点となる）、出力可能なトルクを変化させたときに回転速度が変わる場合もあるが変わらない場合もある。

本発明者らの研究によると、上記の容積ポンプ１１の不具合の解消は、電動機１１ｍのトルクを大きくすることによって達成される場合がある一方で、電動機１１ｍのトルクを小さくすることによって達成される場合もある。制御装置１９は、上述の異常検出手段が容積ポンプ１１の異常の可能性を検出した場合に、電動機１１ｍの出力可能なトルクを大きくする。このようにすると、例えばシリンダ１１ｃとプランジャ１１ｐとの間に異物（シリカ成分等）が存在したために正常に作動しなかった容積ポンプ１１が正常に作動するようになる場合がある。制御装置１９は、電動機１１ｍの出力可能なトルクを大きくしても不具合が解消しない場合には、電動機１１ｍの出力可能なトルクを小さくする。このようにすると、例えばトルクが大きいときはプランジャ１１ｐの外側面がシリンダ１１ｃの内側面に押しつけられる圧力が高いために大きな抵抗が生じることでプランジャ１１ｐが正常に作動しなかった場合に、トルクが小さくなることでプランジャ１１ｐがシリンダ１１ｃに押しつけられる圧力が小さくなって容積ポンプ１１が正常に作動するようになる場合がある。

以上で説明したように、燃料電池システム２によれば、燃料電池システム２の作動中に容積ポンプ１１の不具合が生じた場合に、電動機１１ｍの回転速度及び／又はトルクを変化させる（大きくする又は小さくする）ことで、容積ポンプ１１の不具合が解消する場合がある。このような制御により不具合が解消すれば、特別なメンテナンスをすることなく運転を継続することができるため好適である。

以上の説明では、容積ポンプ１１が接続部材１１ｊとプランジャ１１ｐとでリンク機構を構成しているとしたが、リンク機構は回転運動を往復直線運動に変換できるものであればよい。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子型燃料電池であるとしたが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

１、２ 燃料電池システム
１０、１０Ａ 容積ポンプシステム
１１ 容積ポンプ
１１ｍ 電動機
１１ｊ 接続部材
１１ｐ プランジャ
１１ｒ 容積室
１２ 貯留タンク
１２ｓ 液位センサ
１２ｖ 排出弁
１４ 吸込細管
１９ 制御装置
２０ 改質器
３０ 燃料電池
４９ ドライバ
ｇ 改質ガス
ｍ 原料
ｓ 改質用水
ｔ 酸化剤ガス

Claims (6)

1. 電動機と、前記電動機の回転運動を往復直線運動に変換するリンク機構とを有し、前記リンク機構の往復直線運動に伴う容積室の容積変化により液体を輸送する容積ポンプと、前記容積ポンプに供給される液体を一旦貯留する貯留タンクと、前記貯留タンクに貯留されている液体を前記容積ポンプに導く吸込細管とを備える容積ポンプシステムから、前記液体を抜き出す液体抜出方法であって；
   前記容積ポンプシステムから前記液体を排出する排出工程と；
   前記容積室内及び前記吸込細管内に液面が現れている状態に前記液体の液位を維持する液位維持工程とを備える；
   液体抜出方法。
2. 前記液位維持工程の前に、
   前記容積室に空気を導入する空気導入工程と；
   前記空気導入工程の後に前記容積室内に前記液体を供給する液体供給工程とを備える；
   請求項１に記載の液体抜出方法。
3. 電動機と、前記電動機の回転運動を往復直線運動に変換するリンク機構とを有し、前記リンク機構の往復直線運動に伴う容積室の容積変化により液体を輸送する容積ポンプと；
   前記容積ポンプに供給される液体を一旦貯留する貯留タンクであって、前記容積ポンプよりも高所に配置されて大気に開放された貯留タンクと；
   前記貯留タンクに貯留されている液体を前記容積ポンプに導く、流路断面積が０．１ｍｍ^２以上４００ｍｍ^２以下の吸込細管と；
   前記容積ポンプが停止しているときに、前記容積室の最高位よりも高い位置かつ前記吸込細管内に液面が現れている状態になるように液体を前記貯留タンクから抜く液体抜取手段とを備える；
   容積ポンプシステム。
4. 電動機と、前記電動機の回転運動を往復直線運動に変換するリンク機構とを有し、前記リンク機構の往復直線運動に伴う容積室の容積変化により液体を輸送する容積ポンプと；
   前記容積ポンプの動作の異常を検出する異常検出手段と；
   前記異常検出手段が異常を検出したときに前記電動機の回転速度を性能線図上で変化させるように制御する制御装置とを備える；
   容積ポンプシステム。
5. 前記電動機の出力可能なトルクを変化させるドライバを備え；
   前記制御装置が、前記異常検出手段が異常を検出したときに前記電動機の出力可能なトルクを変化させる；
   請求項４に記載の容積ポンプシステム。
6. 請求項４又は請求項５に記載の容積ポンプシステムと；
   前記容積ポンプから吐出された液体と、炭化水素系の原料とを導入し、前記原料を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と；
   前記改質器で生成された前記改質ガスと、酸素を含有する酸素含有ガスと、を導入して発電する燃料電池とを備え；
   前記異常検出手段が、前記容積ポンプが搬送する液体の流量の異常、前記改質器の状態の異常、及び前記燃料電池の状態の異常のうち少なくとも１つの異常を検出するように構成された；
   燃料電池システム。

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