JP2016072055A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】改質水を供給するポンプの異常の有無を確実に確認することができる燃料電池システムの提供をすることを目的とする。【解決手段】燃料電池システムは、プランジャ４４の往復運動によって、改質水をポンプ室ＰＲに吸入するとともに、改質水を加圧してポンプ室ＰＲより吐出することにより、改質水を蒸発部３２に供給する改質水ポンプ４０を備えている。改質水ポンプ４０は、プランジャ４４の往復運動の際、プランジャ４４が衝突する接触部４１ｂ１，４２ａ３に対する衝突によって振動が発生し、燃料電池システムは、振動が伝達する伝達部位Ｐに配設され、振動を検出する振動検出装置５０をさらに備え、制御装置１５は、振動検出装置５０によって検出された検出振動値Ｖｒに基づいて、改質水ポンプ４０の異常の有無を確認する確認部（ステップＳ１０４，Ｓ１０６）を備えている。【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料（改質用原料）を水蒸気改質するためにタンク４内に貯められた水（改質水）を蒸発部２まで搬送するポンプ８０およびポンプ８０を駆動するモータ８２を備えている。
特開２０１２−１３３９１５号公報
上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、ポンプ８０が正常に駆動しているか否かを判定するために、一般的に、ポンプ８０を駆動するモータ８２の回転数を検出する回転センサがモータ８２に設けられている。これにより、モータ８２が故障して、モータ８２の回転駆動が停止した場合、回転センサによって検出される回転数が低下するため、モータ８２に異常が発生していることを検知することができる。しかしながら、ポンプ８０内に空気溜りが発生した場合、モータ８２が正常に回転駆動しているにもかかわらず、改質水の流量が比較的少なくなっているときがある。この場合、蒸発部２にて水蒸気が生成されず、改質部３内にて改質用原料が水蒸気改質されずに炭化（コーキング）して、改質部３内の改質触媒の劣化が発生する。
また、ポンプ８０が正常に駆動しているか否かを判定するために、上述した回転センサに代えて、改質水の流量を検出する流量センサや、改質水の圧力を検出する圧力センサが、改質水の流路上に設けられる場合がある。この場合、これらセンサ内にて空気溜りが発生して、改質水の流量等が誤検出されることにより、モータ８２が正常に回転駆動しているにもかかわらず、ポンプ８０が正常に駆動していないと判定されるときがある。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、改質水を供給するポンプの異常の有無を確実に確認することができる燃料電池システムの提供をすることを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、改質用原料と水蒸気とから燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、通電されることにより磁場を形成するコイルと、コイルにより形成された磁場によって移動するプランジャと、プランジャを往復運動可能に収納し、プランジャの往復運動に応じて容積が変化するポンプ室を構成するシリンダと、を備え、プランジャの往復運動によって、改質水をポンプ室に吸入するとともに、改質水を加圧してポンプ室より吐出することにより、改質水を蒸発部に供給する改質水ポンプと、改質水ポンプを少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、改質水ポンプは、プランジャの往復運動の際、プランジャが衝突する被衝突部に対する衝突によって振動が発生し、燃料電池システムは、振動が伝達する伝達部位に配設され、振動を検出する振動検出装置をさらに備え、制御装置は、振動検出装置によって検出された振動の大きさに基づいて、改質水ポンプの異常の有無を確認する確認部を備えている。
改質水ポンプが正常に作動している場合、シリンダ内が改質水で満たされており、プランジャと被衝突部との間に改質水が存在するため、シリンダ内の改質水が緩衝材として作用する。その結果、プランジャの衝突による振動の大きさが抑制される。一方、改質水ポンプの異常によりシリンダ内の改質水の量が、改質水ポンプが正常に作動しているときに比べて変化した場合、プランジャの衝突による振動の大きさが変化する。よって、確認部は、振動検出装置によって検出される振動の大きさに基づいて、改質水ポンプの異常の有無を確認できる。
本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す概要図である。 図１に示す改質水ポンプの軸方向断面図であり、コイルが通電されていない状態を表している。 図１に示す改質水ポンプの軸方向断面図であり、コイルが通電されている状態を表している。 図１に示す制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 図４のフローチャートによる燃料電池システムの作動を示すタイムチャートであり、プランジャの衝突による振動が発生しない改質水ポンプの異常が発生した場合を表している。 図４のフローチャートによる燃料電池システムの作動を示すタイムチャートであり、プランジャの衝突による振動の大きさが大きくなる改質水ポンプの異常が発生した場合を表している。
以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。なお、本明細書においては説明の便宜上、図１および図２における上側および下側をそれぞれ燃料電池システムの上方および下方として説明する。図１に示すように、燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。
燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、後述する改質水ポンプ１１ｂ１（４０）が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。
熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通り外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し、所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。
燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。また、蒸発部３２には、一端が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂには、改質水ポンプ１１ｂ１（４０）が配設されている。
改質水ポンプ４０は、図２に示すように、第一ハウジング４１、第二ハウジング４２、筒状のコイル４３、プランジャ４４およびスプリング４５を備えている。改質水ポンプ４０は、コイル４３への通電と非通電とを繰り返すことでプランジャ４４を往復運動させることにより、水タンク１４から改質水（凝縮水）を吸入し、蒸発部３２に供給するプランジャポンプである。
第一ハウジング４１は、本体部４１ａ、フランジ部４１ｂ、吸入管４１ｃおよび吐出管４１ｄを備えている。本体部４１ａは、軸線４１ａ１方向に延びる円筒状に形成されている。フランジ部４１ｂは、本体部４１ａの上端部にて、本体部４１ａの軸線４１ａ１の周方向に全周に亘って突出するように形成されている。
吸入管４１ｃは、本体部４１ａ内に改質水を導入するものである。吸入管４１ｃは、円筒状に形成され、第一ハウジング４１と同軸に、第一ハウジング４１に配設されている。吸入管４１ｃの上端が、本体部４１ａの下端に接続されている。吸入管４１ｃの下端は、水供給管１１ｂが接続されている。
吐出管４１ｄは、本体部４１ａから改質水を導出するものである。吐出管４１ｄは、円筒状に形成され、本体部４１ａの側壁を貫通し、本体部４１ａの径方向に延びるように配設されている。吐出管４１ｄの左側端が、本体部４１ａ内に接続されている。吐出管４１ｄの右側端は、水供給管１１ｂに接続されている。
また、改質水ポンプ４０は、第一チェックバルブ４１ｅおよび第二チェックバルブ４１ｆをさらに備えている。第一チェックバルブ４１ｅは、吸入管４１ｃ内に設けられ、第二チェックバルブ４１ｆは、吐出管４１ｄ内に設けられている。
第一チェックバルブ４１ｅは、水供給管１１ｂから本体部４１ａ内への改質水の流れを許容するが、その逆の流れを規制する逆止弁である。第一チェックバルブ４１ｅは、吸入管４１ｃの上端側から順に、改質水が流通可能な貫通穴４１ｅ１ａが形成された第一保持板４１ｅ１、第一保持板４１ｅ１に保持されている第一スプリング４１ｅ２、第一スプリング４１ｅ２に付勢された球状の第一弁体４１ｅ３および第一弁座４１ｅ４から構成されている。第一弁座４１ｅ４は、隔壁４１ｅ４ａに形成された貫通穴４１ｅ４ｂの上側の開口縁に形成されている。第一保持板４１ｅ１は、吸入管４１ｃ内に、例えば圧入により固定されている。第一チェックバルブ４１ｅは、第一弁体４１ｅ３と第一弁座４１ｅ４とが当接することにより、改質水の流れを規制する「閉状態」（図２および図３に実線にて示す）、および第一弁体４１ｅ３と第一弁座４１ｅ４とが離れることにより、改質水の流れを許容する「開状態」（図３に破線にて示す）の２つの状態を有している。
第二チェックバルブ４１ｆは、本体部４１ａ内から水供給管１１ｂへの改質水の流れを許容するが、その逆の流れを規制する逆止弁である。第二チェックバルブ４１ｆは、吐出管４１ｄの右端側から順に、改質水が流通可能な貫通穴４１ｆ１ａが形成された第二保持板４１ｆ１、第二保持板４１ｆ１に保持されている第二スプリング４１ｆ２、第二スプリング４１ｆ２に付勢された球状の第二弁体４１ｆ３および第二弁座４１ｆ４から構成されている。第二弁座４１ｆ４は、板部材４１ｆ５に形成された貫通穴４１ｆ５ａの右側の開口縁に形成されている。第二保持板４１ｆ１および板部材４１ｆ５は、吐出管４１ｄ内に、例えば圧入により固定されている。第二チェックバルブ４１ｆは、第二弁体４１ｆ３と第二弁座４１ｆ４とが当接することにより、改質水の流れを規制する「閉状態」（実線にて示す）、および第二弁体４１ｆ３と第二弁座４１ｆ４とが離れることにより、改質水の流れを許容する「開状態」（破線にて示す）の２つの状態を有している。
第二ハウジング４２は、シリンダ４２ａ、および、シリンダ４２ａの下端部にて、軸線４１ａ１の周方向に全周に亘って突出するように形成されたフランジ部４２ｂを備えている。第二ハウジング４２は、フランジ部４２ｂの下端面が第一ハウジング４１のフランジ部４１ｂの上端面に接触し、第一ハウジング４１の上端を覆うように配設され、第一ハウジング４１に、例えば取付ボルト（図示なし）によって固定されている。
シリンダ４２ａは、プランジャ４４を軸線４１ａ１方向に往復運動可能に収納するものである。シリンダ４２ａは、軸線４１ａ１と同軸に、下端を本体部４１ａ内に開口する有底円筒状に形成されている。シリンダ４２ａは、プランジャ４４を収納する大径部４２ａ１および大径部４２ａ１の上方に大径部４２ａ１より径が小さい小径部４２ａ２が形成されている。大径部４２ａ１と小径部４２ａ２とによって、プランジャ４４の上端面が接触可能な段状の第一接触部４２ａ３が形成されている。また、大径部４２ａ１は、本体部４１ａの内径より大きくなるように形成されている。これにより、第一ハウジング４１（フランジ部４１ｂ）の上端面にプランジャ４４の下端面が接触可能な段状の第二接触部４１ｂ１が形成される。
コイル４３は、筒状に導線が巻かれたものである。コイル４３は、シリンダ４２ａと同軸にシリンダ４２ａの周囲に配設されている。また、コイル４３は、プランジャ４４の中央部から上端部がコイル４３内に埋設するように配設されている。コイル４３は、通電されることにより磁場を形成する。
プランジャ４４は、円柱状に形成され、第一ハウジング４１と同軸に、シリンダ４２ａ内に摺動可能に配設されている。シリンダ４２ａの内周面とプランジャ４４の外周面とが摺動可能に接触するように、プランジャ４４およびシリンダ４２ａが形成されている。プランジャ４４の上端面は、シリンダ４２ａの第一接触部４２ａ３と接触可能に配設されている（図３参照）。また、プランジャ４４の下端面は、第一ハウジング４１の第二接触部４１ｂ１と接触可能に配設されている（図２参照）。
スプリング４５は、シリンダ４２ａ内に、シリンダ４２ａ内の上端面とプランジャ４４の上端面との間に配設され、プランジャ４４を第一ハウジング４１側に付勢するものである。
また、改質水ポンプ４０は、第一ハウジング４１と第二ハウジング４２との間からの改質水の漏れを防止するシール部材４６を、さらに備えている。シール部材４６は、弾性体（例えばＮＢＲ）によって環状に形成されている。
また、改質水ポンプ４０は、ポンプ室ＰＲを備えている。ポンプ室ＰＲは、第一チェックバルブ４１ｅの第一弁座４１ｅ４と、第二チェックバルブ４１ｆの第二弁座４１ｆ４との間に形成されている。ポンプ室ＰＲは、隔壁４１ｅ４ａ、吸入管４１ｃ、本体部４１ａ、シリンダ４２ａ、プランジャ４４、吐出管４１ｄおよび板部材４１ｆ５によって区画された空間である。ポンプ室ＰＲは、図２および図３に示すように、プランジャ４４の往復運動に応じて容積が変化する。
次に、改質水ポンプ４０の作動について説明する。コイル４３が通電されていない状態から説明する。コイル４３が通電されていない場合、図２に示すように、プランジャ４４は、スプリング４５の付勢力によりシリンダ４２ａ内の下端部に位置している。具体的には、プランジャ４４の位置は、プランジャ４４の下端面が、第二接触部４１ｂ１と接触する位置である。また、各弁体４１ｅ３，４１ｆ３は、各弁座４１ｅ４，４１ｆ４にそれぞれ当接している。すなわち、各チェックバルブ４１ｅ，４１ｆは、共に「閉状態」である。
このような状態において、コイル４３が通電された場合、コイル４３が形成する磁界によって、プランジャ４４がシリンダ４２ａの上方に向けて吸引される。プランジャ４４は、スプリング４５の付勢力に抗して、シリンダ４２ａ内を上方に向けて移動する。プランジャ４４の上端面が第一接触部（特許請求の範囲の被衝突部に相当）４２ａ３に衝突して、図３に示すように、プランジャ４４が、第一接触部４２ａ３に接触した状態で位置決めされる。このとき、この衝突により振動が発生し、振動が第二ハウジング４２全体および第一ハウジング４１全体に伝達する。また、この場合、ポンプ室ＰＲの容積が増加するように変化する。これにより、ポンプ室ＰＲ内の圧力が下降するため、第一チェックバルブ４１ｅの第一弁体４１ｅ３が第一スプリング４１ｅ２の付勢力に抗して上方に向けて移動する。これにより、第一チェックバルブ４１ｅが「開状態」となるため、吸入管４１ｃから改質水がポンプ室ＰＲに流入する（破線の矢印にて示す）。なお、このとき、第二チェックバルブ４１ｆは、「閉状態」のままである。
そして、コイル４３への通電が停止されると、コイル４３によって形成された磁界が無くなる。よって、プランジャ４４は、スプリング４５の付勢力により、シリンダ４２ａ内を下方に向けて移動する。プランジャ４４の下端面が第二接触部（特許請求の範囲の被衝突部に相当）４１ｂ１に衝突して、図２に示すように、プランジャ４４が、第二接触部４１ｂ１に接触した状態で位置決めされる。このとき、この衝突により振動が発生し、振動が第二ハウジング４２および第一ハウジング４１全体に伝達する。また、この場合、ポンプ室ＰＲの容積が減少するように変化する。これにより、ポンプ室ＰＲ内の改質水が加圧され、ポンプ室ＰＲ内の圧力が上昇するため、第二チェックバルブ４１ｆの第二弁体４１ｆ３が第二スプリング４１ｆ２の付勢力に抗して右側方に向けて移動する。これにより、第二チェックバルブ４１ｆが「開状態」となるため、ポンプ室ＰＲから改質水が貫通穴４１ｆ１ａから吐出する。なお、このとき、第一チェックバルブ４１ｅは、「閉状態」のままである。
このように、コイル４３への通電と非通電とが繰り返されることで、プランジャ４４が往復運動することにより、改質水が、吸入管４１ｃからポンプ室ＰＲ内へ、さらに、ポンプ室ＰＲ内から貫通穴４１ｆ１ａを介して吐出管４１ｄから吐出する。
また、プランジャ４４が一往復したときに吐出管４１ｄから吐出される改質水の量は、ポンプ室ＰＲの容積の変化量に相当する。よって、吐出管４１ｄから吐出される改質水の流量（単位時間あたりの流量）は、プランジャ４４の単位時間あたりの往復回数によって定まる。したがって、改質水の流量の調整は、プランジャ４４の単位時間あたりに一往復する回数（周波数）を調整することにより行う。具体的には、制御装置１５により、コイル４３への単位時間あたりの通電と非通電とが繰り返される回数（周波数）が調整されている。ここで、改質水ポンプ４０は、制御装置１５によりＰＷＭ制御によって駆動されている。改質水ポンプ４０の制御指令値は、制御装置１５によって、ＰＷＭ制御のデューティ比にて、改質水ポンプ４０のドライバ回路（図示なし）に出力される。すなわち、制御装置１５によってデューティ比が調整されることにより、コイル４３への単位時間あたりの通電と非通電とが繰り返される回数（周波数）、ひいては、改質水の流量が調整されている。改質水の目標流量は、燃料電池３４の発電量に基づいて予め設定され、制御装置１５に記憶されている。なお、改質水の流量は、およそ０．３〜３０ｍＬ／分の範囲内となるように設定されている。
また、燃料電池システムは、振動検出装置５０をさらに備えている。振動検出装置５０は、プランジャ４４の往復運動の際、プランジャ４４の衝突による振動が伝達する伝達部位Ｐに配設され、プランジャ４４の衝突による振動を検出するものである。プランジャ４４の衝突による振動は、上述したように、各ハウジング４１，４２全体に伝達する。本実施形態において、伝達部位Ｐは、第一ハウジング４１のフランジ部４１ｂの外表面である。また、振動検出装置５０は、加速度センサであり、振動の加速度を検出する。振動検出装置５０は、例えば、静電容量式加速度センサである。振動検出装置５０は、制御装置１５と電気的に接続され、振動検出装置５０によって検出された検出値が制御装置１５に送信されるようになっている。制御装置１５は、振動検出装置５０によって送信された検出値に基づいて、ＦＦＴによる周波数解析を行い、周波数ごとの振動の大きさを算出する。そして、制御装置１５は、周波数ごとの振動の大きさのうち最大値を検出振動値Ｖｒとして検出する。
図１に戻って、燃料電池システムの構成の説明を続ける。
改質部３３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。
セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて蒸発部３２および改質部３３を加熱する。
燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて燃焼ガス（火炎３７）が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。
次に、制御装置１５が改質水ポンプ４０の異常の有無を確認する確認制御について、図４に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置１５は、改質水ポンプ４０の駆動を開始したときに図４に示すフローチャートを実行する。制御装置１５は、ステップＳ１０２にて、改質水ポンプ４０の駆動を開始してから第一所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。第一所定時間Ｔ１は、改質水ポンプ４０の駆動が開始されてから、改質水の流量（単位時間あたりの流量）が安定するまでの時間（例えば５秒）である。制御装置１５は、第一所定時間Ｔ１が経過していない場合、ステップＳ１０２にて「ＮＯ」の判定を繰り返し実行する。一方、制御装置１５は、第一所定時間Ｔ１が経過した場合、ステップＳ１０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０４に進める。
制御装置１５は、ステップＳ１０４（確認部）にて、検出振動値Ｖｒに基づいて、改質水ポンプ４０の異常の有無を確認する。具体的には、制御装置１５は、検出振動値Ｖｒが第一判定値Ｖ１（特許請求の範囲の判定値に相当）より大きいか否かを判定する。第一判定値Ｖ１は、改質水ポンプ４０が正常である場合の検出振動値Ｖｒである正常検出振動値Ｖｎより大きい検出振動値Ｖｒに設定されている。ここで、検出振動値Ｖｒに基づいて、改質水ポンプ４０の異常の有無を確認できることの理由を説明する。改質水ポンプ４０が正常に改質水を吐出している場合、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的多い。この場合、プランジャ４４と第一接触部４２ａ３との間、およびプランジャ４４と第二接触部４１ｂ１との間に改質水が存在するため、この改質水がプランジャ４４の衝突に対する緩衝材として作用する。よって、この場合、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的少ない場合に比べて、プランジャ４４の衝突により発生する検出振動値Ｖｒが抑制される。すなわち、正常検出振動値Ｖｎは、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的少ない場合の検出振動値Ｖｒに比べて小さくなる。例えば、貫通穴４１ｅ４ｂのゴミつまりによってシリンダ４２ａ内に改質水の吸入ができない改質水ポンプ４０の異常が発生した場合、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的少なくなるため、このときの検出振動値Ｖｒが、正常検出振動値Ｖｎより大きくなる。そして、検出振動値Ｖｒが第一判定値Ｖ１より大きくなった場合、改質水ポンプ４０内の改質水が比較的少なくなる異常が発生していると判定することができる。第一判定値Ｖ１および正常検出振動値Ｖｎは、予め実験等により実測され、制御装置１５に記憶されている。
制御装置１５は、検出振動値Ｖｒが第一判定値Ｖ１より大きい場合、シリンダ４２ａ内に改質水が比較的少なくなっていると判定（ステップＳ１０４にて「ＹＥＳ」と判定）し、改質水ポンプ４０の異常の有りを確認する（ステップＳ１０８）。この場合における改質水ポンプ４０の異常は、例えば、貫通穴４１ｅ４ｂのゴミつまりによってシリンダ４２ａ内に改質水の吸入ができない状態や、シリンダ４２ａ内の空気溜りの発生である。改質水ポンプ４０の異常の有りが確認された場合、制御装置１５は、例えば、燃料電池システムの運転を停止する。
一方、制御装置１５は、検出振動値Ｖｒが第一判定値Ｖ１以下である場合、ステップＳ１０４にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１０６に進める。
制御装置１５は、ステップＳ１０６（確認部）にて、検出振動値Ｖｒに基づいて、改質水ポンプ４０の異常の有無を確認する。具体的には、制御装置１５は、第二所定時間（特許請求の範囲の所定時間に相当）Ｔ２継続して検出振動値Ｖｒが第二判定値Ｖ２より小さいか否かを判定する。第二所定時間Ｔ２は、改質水ポンプ４０に出力されるデューティ比の周期より長い時間（例えば、デューティ比の周期の５倍の時間）に設定されている。第二判定値Ｖ２は、第一判定値Ｖ１および正常検出振動値Ｖｎより十分小さく、かつ、ゼロよりも大きい検出振動値Ｖｒに設定されている。第二判定値Ｖ２は、予め実験等により実測され、制御装置１５に記憶されている。例えば、コイル４３の断線やシリンダ４２ａ内のゴミ混入によるプランジャ４４が動作できない状態（例えば固着状態）となる改質水ポンプ４０の異常が発生した場合、プランジャ４４の衝突による振動が発生しない。よって、制御装置１５は、第二所定時間Ｔ２継続して検出振動値Ｖｒが第二判定値Ｖ２より小さい場合、プランジャ４４が作動していない改質水ポンプ４０の異常が発生していると判定（ステップＳ１０６にて「ＹＥＳ」と判定）し、改質水ポンプ４０の異常の有りを確認する（ステップＳ１０８）。
一方、改質水ポンプ４０が正常に作動している場合、プランジャ４４の衝突による振動が発生する。よって、制御装置１５は、検出振動値Ｖｒが第二判定値Ｖ２以上である場合、改質水ポンプ４０が正常に作動して振動が発生していることで改質水ポンプ４０が正常に作動していると判定（ステップＳ１０６にて「ＮＯ」と判定）し、プログラムをステップＳ１０４に戻す。このように、改質水ポンプ４０が正常に作動している場合、制御装置１５は、ステップＳ１０４およびステップＳ１０６の判定を繰り返し実行する。
次に、上述したフローチャートに沿って、改質水ポンプ４０の異常の有りが確認される場合の燃料電池システムの作動について説明する。はじめに、図５に示すタイムチャートに沿って、改質水ポンプ４０の駆動中にコイル４３の断線が発生した場合について説明する。
制御装置１５は、改質水の流量が所定の流量となるように、改質水ポンプ４０の制御を開始する（時刻ｔ１）。このとき、プランジャ４４の衝突により、検出振動値Ｖｒが検出される。プランジャ４４が、デューティ比の周期と同じ周期にて往復運動するため、検出振動値Ｖｒは、デューティ比の周期と同じ周期にて検出される。改質水ポンプ４０が正常に作動している場合、第一所定時間Ｔ１が経過した時点において（時刻ｔ２；ステップＳ１０２）、改質水の流量が所定の流量になっている。この場合、検出振動値Ｖｒは、所定の流量に応じた大きさに抑制されるため、正常検出振動値Ｖｎにて推移する。
改質水ポンプ４０が正常に作動しているときに、コイル４３の断線が発生した場合（時刻ｔ３）、コイル４３による磁界が形成されないため、プランジャ４４が第二接触部４１ｂ１に接触した状態で位置決めされている。これにより、プランジャ４４の衝突が発生しないため、検出振動値Ｖｒが第二判定値Ｖ２より小さくなる（時刻ｔ４）。そして、検出振動値Ｖｒが、第二所定時間Ｔ２継続して第二判定値Ｖ２より小さい状態になったとき（時刻ｔ５；ステップＳ１０６）、制御装置１５によって改質水ポンプ４０の異常の有りが確認され（ステップＳ１０８）、燃料電池システムの運転が停止される。
さらに、図６に示すタイムチャートに沿って、改質水ポンプ４０の駆動中に、シリンダ４２ａ内に空気溜りが発生し、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的少なくなった場合について説明する。
図５に示すタイムチャートと同様に、制御装置１５によって改質水ポンプ４０の駆動が開始され（時刻ｔ１）、改質水ポンプ４０が正常に作動している場合、第一所定時間Ｔ１が経過した時点において（時刻ｔ２；ステップＳ１０２）、改質水の流量が所定の流量になっている。この場合、検出振動値Ｖｒは、所定の流量に応じた大きさに抑制されるため、正常検出振動値Ｖｎにて推移する。
改質水ポンプ４０が正常に作動しているときに、シリンダ４２ａ内に空気溜りが発生して（時刻ｔ６）、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的少なくなった場合、プランジャ４４の衝突に対して改質水が緩衝材として作用しなくなるため、検出振動値Ｖｒが大きくなる。そして、検出振動値Ｖｒが第一判定値Ｖ１より大きくなったとき（時刻ｔ７；ステップＳ１０４）、制御装置１５によって改質水ポンプ４０の異常の有りを確認され（ステップＳ１０８）、燃料電池システムの運転が停止される。
本実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部３２と、改質用原料と水蒸気とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、通電されることにより磁場を形成するコイル４３と、コイル４３により形成された磁場によって移動するプランジャ４４と、プランジャ４４を往復運動可能に収納し、プランジャ４４の往復運動に応じて容積が変化するポンプ室ＰＲを構成するシリンダ４２ａと、を備え、プランジャ４４の往復運動によって、改質水をポンプ室ＰＲに吸入するとともに、改質水を加圧してポンプ室ＰＲより吐出することにより、改質水を蒸発部３２に供給する改質水ポンプ４０と、改質水ポンプ４０を少なくとも制御する制御装置１５と、を備えている。また、改質水ポンプ４０は、プランジャ４４の往復運動の際、プランジャ４４が衝突する第一接触部４２ａ３および第二接触部４１ｂ１に対する衝突によって振動が発生し、燃料電池システムは、振動が伝達する伝達部位Ｐに配設され、振動を検出する振動検出装置５０をさらに備え、制御装置１５は、振動検出装置５０によって検出された検出振動値Ｖｒに基づいて、改質水ポンプ４０の異常の有無を確認する確認部（ステップＳ１０４，Ｓ１０６）を備えている。
改質水ポンプ４０が正常に作動している場合、ポンプ室ＰＲ内が改質水で満たされており、プランジャ４４と第一接触部４２ａ３との間、およびプランジャ４４と第二接触部４１ｂ１との間に改質水が存在するため、シリンダ４２ａ内の改質水が緩衝材として作用する。その結果、プランジャ４４の衝突による検出振動値Ｖｒが抑制される。一方、改質水ポンプ４０の異常によりシリンダ４２ａ内の改質水の量が、改質水ポンプ４０が正常に作動しているときに比べて変化した場合、プランジャ４４の衝突による検出振動値Ｖｒが変化する。よって、確認部は、振動検出装置５０によって検出される検出振動値Ｖｒに基づいて、改質水ポンプ４０の異常の有無を確認できる。また、改質水ポンプ４０の異常を確認した場合、例えば燃料電池システムの運転を停止する等の対処を行うことができる。
例えば、シリンダ４２ａ内に空気溜りが発生して、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的少ない場合、改質水ポンプ４０が正常に作動している場合に比べて、シリンダ４２ａ内の改質水の量が少ないため、プランジャ４４の衝突による検出振動値Ｖｒが大きくなる。この場合、確認部は、振動検出装置５０によって検出される検出振動値Ｖｒに基づいて、例えば、シリンダ４２ａ内に空気溜りが発生しているとして、改質水ポンプ４０の異常の有りを確認できる。また、例えば、コイル４３の断線によりプランジャ４４が往復運動しない場合、プランジャ４４の衝突が無い。よって、プランジャ４４の衝突による振動が発生していないため、検出振動値Ｖｒが検出されない。この場合、確認部は、振動検出装置５０によって検出される検出振動値Ｖｒに基づいて、プランジャ４４が作動していないとして、改質水ポンプ４０の異常を確認できる。
また、モータの回転数を検出することにより改質水ポンプの異常の有無を確認する従来技術では、シリンダ４２ａ内の空気溜りが発生している改質水ポンプ４０の異常の有無を確認することができない。これに対し、制御装置１５の確認部は、上述したように、シリンダ４２ａ内の空気溜りが発生している改質水ポンプ４０の異常の有無についても確認することができる。
また、従来技術の改質水ポンプを構成するポンプおよびポンプを駆動するモータにおいて、モータは、例えばＤＣモータやステッピングモータであるため、モータの部品点数ひいては改質水ポンプの部品点数が比較的多い。これに対し、本実施形態の改質水ポンプ４０は、プランジャポンプであるため、従来技術のポンプおよびモータの組み合わせに比べて部品点数を少なくすることができる。よって、改質水ポンプ４０の低コスト化を図ることができる。
さらに、振動検出装置５０は、改質水と接触しないように配設されているため、振動検出装置５０が改質水の流路内に改質水に接触するように配設されている場合に比べて、改質水の汚染や改質水ポンプ４０内の空気溜りを抑制することができる。
また、確認部は振動検出装置５０によって検出されたプランジャ４４の衝突による検出振動値Ｖｒが第一判定値Ｖ１より大きい場合、改質水ポンプ４０の異常の有りを確認する。
これによれば、確認部は、例えば、貫通穴４１ｅ４ｂのゴミつまりによってシリンダ４２ａ内に改質水の吸入ができない状態や、改質水ポンプ４０のシリンダ４２ａ内の空気溜りの発生による検出振動値Ｖｒが大きくなるような改質水ポンプ４０の異常を、より確実に確認することができる。
また、確認部は、制御装置１５によって改質水ポンプ４０が蒸発部に改質水を供給するように制御されている際、第二所定時間Ｔ２継続して振動検出装置５０によって検出された検出振動値Ｖｒが第二判定値Ｖ２より小さい場合、改質水ポンプ４０の異常の有りを確認する。
これによれば、確認部は、例えば、コイル４３の断線やシリンダ４２ａ内のゴミつまりによりプランジャ４４が動作できない状態（固着状態）であることで、プランジャ４４の衝突による検出振動値Ｖｒが生じないような改質水ポンプ４０の異常を、より確実に確認することができる。
なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、図５に示すフローチャートにおいて、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて、検出振動値Ｖｒが第一判定値Ｖ１より大きい場合「ＹＥＳ」と判定し、直ちに改質水ポンプ４０の異常を確認するが、これに代えて、第二所定時間Ｔ２継続して検出振動値Ｖｒが第一判定値Ｖ１より大きい場合、ステップＳ１０４にて「ＹＥＳ」と判定するようにしても良い。
また、上述した実施形態において、振動検出装置５０は、第一ハウジング４１のフランジ部４１ｂの外表面に配設されているが、これに代えて、第一ハウジング４１の本体部４１ａの側面または、第二ハウジング４２の上面に配設するようにしても良い。
１０…発電ユニット、１１…燃料電池モジュール、１１ｂ…水供給管、１１ｂ１（４０）…改質水ポンプ、１５…制御装置、２０…排熱回収システム、３２…蒸発部、３３…改質部、３４…燃料電池、４１…第一ハウジング、４１ａ…本体部、４１ａ１…軸線、４１ｂ…フランジ部、４１ｂ１…第二接触部（被衝突部）、４１ｃ…吸入管、４１ｄ…吐出管、４１ｅ…第一チェックバルブ、４１ｆ…第二チェックバルブ、４２…第二ハウジング、４２ａ…シリンダ、４２ａ３…第一接触部（被衝突部）、４２ｂ…フランジ部、４３…コイル、４４…プランジャ、４５…スプリング、５０…振動検出装置、Ｐ…伝達部位、ＰＲ…ポンプ室、Ｔ１…第一所定時間、Ｔ２…第二所定時間（所定時間）、Ｖ１…第一判定値（判定値）、Ｖ２…第二判定値、Ｖｎ…正常検出振動値、Ｖｒ…検出振動値。

Claims (3)

  1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
    改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、
    改質用原料と前記水蒸気とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
    通電されることにより磁場を形成するコイルと、前記コイルにより形成された磁場によって移動するプランジャと、前記プランジャを往復運動可能に収納し、前記プランジャの往復運動に応じて容積が変化するポンプ室を構成するシリンダと、を備え、前記プランジャの往復運動によって、前記改質水を前記ポンプ室に吸入するとともに、前記改質水を加圧して前記ポンプ室より吐出することにより、前記改質水を前記蒸発部に供給する改質水ポンプと、
    前記改質水ポンプを少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記改質水ポンプは、前記プランジャの往復運動の際、前記プランジャが衝突する被衝突部に対する衝突によって振動が発生し、
    前記燃料電池システムは、前記振動が伝達する伝達部位に配設され、前記振動を検出する振動検出装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記振動検出装置によって検出された前記振動の大きさに基づいて、前記改質水ポンプの異常の有無を確認する確認部を備えている燃料電池システム。
  2. 前記確認部は、前記振動検出装置によって検出された前記振動の大きさが判定値より大きい場合、前記改質水ポンプの異常の有りを確認する請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記確認部は、前記制御装置によって前記改質水ポンプが前記蒸発部に前記改質水を供給するように制御されている際、所定時間継続して前記振動検出装置によって前記振動が検出されない場合、前記改質水ポンプの異常の有りを確認する請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
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