JP6221781B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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、燃料および酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池２４と、改質用燃料と改質水とが供給されて燃料を生成する改質部２３と、改質水を供給する改質水ポンプ４１ａと、を備えている。

この改質水ポンプ４１ａは、特許文献２の図１に示されているような電動液体ポンプ１０が使用されている。電動液体ポンプ１０は、例えばトロコイドポンプ、ギヤポンプ等の定吐出式の油圧ポンプ１１（液体ポンプ）がセンサレス三相ブラシレスＤＣモータにより構成されている電動モータ１２によって駆動されるものである。

このように構成された改質水ポンプ４１ａが異物を噛み込んだ場合に、異物の噛みこみを解消するために、改質水ポンプ４１ａは、改質水ポンプ４１ａの回転方向を切り換えたり、大トルクにて再起動させたりするように制御されている。

特開２０１０−２３８４６７号公報 特開２００４−３５３６２４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、改質水は、Ｓ／Ｃを適正範囲に維持するため、燃料の供給量に応じた改質水の供給量をできるだけ精度よく供給する必要がある。この場合、改質水ポンプ４１ａの正常時には単位時間当たりの供給量を精度よく供給する必要があるとともに、改質水ポンプ４１ａが異物を噛み込んだ場合においても過不足なく供給する必要がある。

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、燃料電池システムにおいて、改質水ポンプが正常であるか異常であるかにかかわらず、改質水を高精度にて供給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の発明は、燃料および酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、改質用燃料と改質水とが供給されて燃料（改質ガス）を生成する改質部と、改質水を供給する改質水ポンプを駆動する駆動用モータと、駆動用モータを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、制御装置は、改質水ポンプの異常を検出した場合、駆動用モータのトルクを通常の改質水供給時より増大させることにより、改質水ポンプの異物を排出する異物排出部と、異物排出部によって異物の排出を行った後、異物排出にかかった時間に供給すべき改質水量に対する過不足分を調整するように改質水を供給する改質水量調整供給部と、を備えている。

これによれば、異物排出部が、改質水ポンプの異常を検出した場合、駆動用モータのトルクを通常の改質水供給時より増大させることにより、改質水ポンプの異物を排出する。改質水量調整供給部が、異物排出部によって異物の排出を行った後、異物排出にかかった時間に供給すべき改質水量に対する過不足分を調整するように改質水を供給する。したがって、改質水ポンプが異常である場合、改質水を高精度にて供給することができる。

また請求項２に係る発明は、請求項１において、異物排出部は、改質水ポンプの異常を検出した場合、駆動用モータに対する回転速度指示を改質水ポンプの目標回転速度に相当する指示値に維持しながら、駆動用モータのトルクを通常の改質水供給時より増大させることにより、改質水ポンプの異物を排出する。
これによれば、改質水ポンプの単位時間当たりの吐出量を増大させることなく、少なくとも目標回転速度以下に抑制した状態でトルクを増大させることができる。これに加えて、改質水ポンプの異常を解消する場合のみに、消費電流を増大させ、改質水ポンプが正常であり通常運転する場合には、消費電流を小さく抑制することができる。よって、改質水ポンプが異常である場合、改質水のより高精度の供給と、システム効率・作動音低減・耐久性向上との両立を達成しながら、改質水ポンプの異常を確実に解消することができる。

また請求項３に係る発明は、請求項１において、異物排出部は、改質水ポンプの異常を検出した場合、駆動用モータのトルクを通常の改質水供給時より増大させるとともに、改質水ポンプの正逆回転を一回以上繰り返すことにより、改質水ポンプの異物を排出する。
これによれば、改質水ポンプが異常である場合、改質水ポンプの異常をより確実に解消することができる。

また請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、改質水ポンプは、容積式ポンプであり、駆動用モータは、回転速度を一定に維持しつつトルクを変化させることができるステッピングモータである。
これによれば、改質水ポンプの単位時間当たりの吐出量を増大させることなく、一定に維持したままで、簡便な構成かつ安価に、トルクを増大させることができる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図２に示す改質水ポンプ（駆動用モータ）の駆動回路を示す図である。 図２に示す制御装置で実行される制御プログラム（第１制御例）のフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される制御プログラム（第２制御例）のフローチャートである。

以下、本発明による燃料電池システムの実施形態の一つである第１実施例について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０、インバータ装置５０および制御装置６０を備えている。

筐体１１は、筐体１１内を区画して第１室Ｒ１および第２室Ｒ２を形成する仕切部材１２を備えている。第１室Ｒ１は第１空間を形成し、第２室Ｒ２は第２空間を形成する。仕切部材１２は筐体１１を上下に区画する部材であり、第１室Ｒ１および第２室Ｒ２は連通するようになっている。

燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、燃料電池２４を少なくとも含んで構成されるものである。本実施形態では、燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４を備えている。

ケーシング２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング２１は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造を介して仕切部材１２に設置されている。ケーシング２１内には、蒸発部２２、改質部２３、燃料電池２４および第１燃焼部２６である燃焼空間Ｒ３が配設されている。このとき、蒸発部２２、改質部２３が燃料電池２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部２２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２２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２３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。

この蒸発部２２には、一端（下端）が水タンク１３内に配設された給水管４１の他端が接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に改質水を供給するとともにその改質水供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。改質水ポンプ４１ａは、水タンク１３（貯水器）に貯蔵されている凝縮水を改質水として改質部２３に供給する水供給装置である。

改質水ポンプ４１ａは、ポンプ本体４１ａ１と、ポンプ本体４１ａ１を駆動させる駆動用モータ４１ａ２と、駆動用モータ４１ａ２の回転速度を検出する回転速度センサ４１ａ３と、を備えている。ポンプ本体４１ａ１は、容積式ポンプである。駆動用モータ４１ａ２は、回転速度を一定に維持しつつトルクを変化させることができる電動モータであり、例えばステッピングモータである。駆動用モータ４１ａ２は、ロータ４１ａ２ａと、ステータに設けられた複数のコイル４１ａ２ｂ１，４１ａ２ｂ２と、を備えている。回転速度センサ４１ａ３は、例えばエンコーダ（ロータリエンコーダ）である。

また、蒸発部２２には、改質用原料の供給源（以下、供給源という。）Ｇｓからの改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。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。改質用原料供給管４２には、原料ポンプ４２ａが設けられている。原料ポンプ４２ａは、筺体１１内に収納されている。原料ポンプ４２ａは、燃料電池２４に燃料（改質用原料）を供給する供給装置であり、制御装置６０からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。この原料ポンプ４２ａは、改質用原料を吸入し改質部２３に圧送する圧送装置である。

改質部２３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２２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２３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ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池２４の燃料極に導出されるようになっている。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２３は改質用原料（原燃料）と改質水とから燃料である改質ガスを生成して燃料電池２４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池２４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２４ａ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２４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。動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部２３は省略することができる。
セル２４ａ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２４ｂが形成されている。セル２４ａ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２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３からの改質ガスが改質ガス供給管４３を介して供給される。燃料流路２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド２５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４４ａ（カソードエア送出（送風）手段）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４４を介して供給され、空気流路２４ｃ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。

カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池２４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は調整制御（例えば燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料電池２４と蒸発部２２（改質部２３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎２７）によって蒸発部２２および改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは導出口２１ａから燃料電池モジュール２０の外に排気される。このように、燃焼空間Ｒ３が、燃料電池２４からのアノードオフガスと燃料電池２４からのカソードオフガスとが燃焼されて改質部２３を加熱する第１燃焼部２６である。すなわち、第１燃焼部２６は、燃料電池２４からの未使用の燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼ガスを導出する燃焼部である。
第１燃焼部２６（燃焼空間Ｒ３）では、アノードオフガスが燃焼されて火炎２７が発生している。第１燃焼部２６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２６ａ１，２６ａ２が設けられている。

排熱回収システム３０は、燃料電池２４の排熱と貯湯水との間で熱交換することで排熱を貯湯水に回収して蓄える排熱回収系である。排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン３２と、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器３３と、が備えられている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水供給源Ｗｓ（例えば水道管）が接続されており、水供給源Ｗｓからの水（低温の水。例えば水道水）が補給されるようになっている。また、貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ａ、第１温度センサ３２ｂ、熱交換器３３、および第２温度センサ３２ｃが配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、第２温度センサ３２ｃの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

第１温度センサ３２ｂは、熱交換器３３の貯湯水導入側の貯湯水循環ライン３２であって熱交換器３３と貯湯槽３１との間に配設されている。第１温度センサ３２ｂは、貯湯水の熱交換器３３の入口温度すなわち貯湯水の貯湯槽３１の出口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

第２温度センサ３２ｃは、熱交換器３３の貯湯水導出側の貯湯水循環ライン３２に配設されている。第２温度センサ３２ｃは、貯湯水の熱交換器３３の出口温度すなわち貯湯水の貯湯槽３１の入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０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３１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。この熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施形態では、熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に設けられており、少なくとも熱交換器３３の下部は仕切部材１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

熱交換器３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａの上部には、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口２１ａに連通している。ケーシング３３ａの下部には、第１排気口１１ａに接続されている排気管４６が接続されている。ケーシング３３ａの底部には、純水器１４に接続されている凝縮水供給管４７が接続されている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続されている熱交換部（凝縮部）３３ｂが配設されている。

このように構成された熱交換器３３においては、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、導出口２１ａを通ってケーシング３３ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部３３ｂを通る際に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４６を通って第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管４７を通って純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部３３ｂに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

このように、熱交換器３３は、燃料電池システムの中で流通する水分を含んだガス中の水蒸気を液状の熱媒体との熱交換で凝縮し凝縮水を生成する凝縮器である。本実施形態では、燃料電池システムの中で流通する水分を含んだガスは、燃焼排ガスであり、液状の熱媒体は、貯湯水である。なお、燃料電池システムの中で流通する水分を含んだガスは、燃焼排ガスに限定されない。液状の熱媒体は、貯湯水に限定されない。なお、液状の熱媒体は、導電率が純水より高いものが好ましい。

熱交換器３３の燃焼排ガス導入部、すなわちケーシング２１の導出口２１ａには、第２燃焼部２８が設けられている。第２燃焼部２８は、第１燃焼部２６から排気されるガスである第１燃焼部オフガス、すなわち、第１燃焼部２６から排気される未使用の可燃性ガス（例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など）を導入し燃焼して導出するものである。第２燃焼部２８は、可燃性ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒（例えばプラチナやパラジウムなどの貴金属がセラミックの単体などに担持させたものである。ペレット状のものを充填しても良いし、セラミック・メタルのハニカムや発泡金属の上に担持させたような形態のものでも良い。）で構成されている。
第２燃焼部２８には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃性ガスを燃焼させるための燃焼触媒ヒータ２８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ２８ａは制御装置６０の指示によって加熱されるものである。

また、燃料電池システムは、水タンク１３および純水器１４を備えている。水タンク１３および純水器１４は第２室Ｒ２内に配設されている。水タンク１３は、純水器１４から導出された純水を貯めておくものである。水タンク１３は、熱交換器３３（凝縮器）から供給された凝縮水を貯蔵する貯水器である。

純水器１４は、イオン交換樹脂を内蔵しており、例えば粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、熱交換器３３からの凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１４は、配管４８を介して水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は配管４８を通って水タンク１３に導出される。すなわち、純水器１４は、熱交換器３３からの凝縮水を純水化して水タンク１３に供給する。

また、燃料電池システムは、第２室Ｒ２を形成する筐体１１に形成された空気導入口１１ｂと、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成された空気導出口１１ｃと、空気導入口１１ｂに設けられた換気用空気ブロワ１５と、を備えている。換気用空気ブロワ１５は、筐体１１内を換気する換気装置である。この換気用空気ブロワ１５が作動すると、外気が空気導入口１１ｂを介して換気用空気ブロワ１５に吸い込まれ、第２室Ｒ２に送出される。さらに、第２室Ｒ２内の気体（主として空気）は仕切部材１２を通って第１室Ｒ１に流れ、第１室Ｒ１内の気体は空気導出口１１ｃを介して外部に排出される。

さらに、燃料電池システムは、インバータ装置５０を備えている。インバータ装置５０は、燃料電池２４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５１および外部電力負荷５３に接続されている電源ライン５２に出力する第１機能と、系統電源５１からの交流電圧を電源ライン５２を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機や制御装置６０に出力する第２機能と、を有している。

系統電源（または商用電源）５１は、該系統電源５１に接続された電源ライン５２を介して外部電力負荷５３に電力を供給するものである。燃料電池２４はインバータ装置５０を介して電源ライン５２に接続されている。外部電力負荷５３は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。

補機は、燃料電池モジュール２０に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプ４１ａ，４２ａ、換気用空気ブロワ１５およびカソードエアブロワ４４ａなどから構成されている。この補機は直流電圧にて駆動されるものである。

さらに、燃料電池システムは、制御装置６０を備えている。制御装置６０には、上述した回転速度センサ４１ａ３、温度センサ３２ｂ，３２ｃ、各ポンプ３２ａ，４１ａ（駆動用モータ４１ａ２），４２ａ、各ブロワ１５，４４ａ、および各ヒータ２６ａ１，２６ａ２，２８ａが接続されている（図２参照）。制御装置６０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システムの運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

さらに、駆動用モータ４１ａ２の駆動回路６１について図３を参照して説明する。なお、図３に示すステッピングモータは二相式のものである。駆動回路６１は、モータ駆動ＩＣ６１ａおよびドライバ回路６１ｂを備えている。モータ駆動ＩＣ６１ａは、制御装置６０からの指令（回転速度、回転方向およびトルク量）に基づいて、パルス信号、回転方向信号およびトルク信号をドライバ回路６１ｂに出力する。

ドライバ回路６１ｂは、駆動用モータ４１ａ２を駆動させるための駆動電源６２に接続されている。駆動電源６２は、本実施形態において直流電源である。駆動電源６２は、交流電源でもよい。ドライバ回路６１ｂは、コイル４１ａ２ｂ１，４１ａ２ｂ２に接続されている。すなわち、各コイル４１ａ２ｂ１，４１ａ２ｂ２は、駆動電源６２の電圧（駆動電圧）がそれぞれ付与されるようになっている。さらに、ドライバ回路６１ｂは、駆動電源６２からの駆動電圧を調整して出力できるように構成されており、各コイル４１ａ２ｂ１，４１ａ２ｂ２に付与される駆動電圧（駆動電流）を調整することができる。

ドライバ回路６１ｂは、パルス信号に応じた回転速度となるように各コイル４１ａ２ｂ１，４１ａ２ｂ２に駆動電圧（駆動電流）を付与する。ドライバ回路６１ｂは、回転方向信号に応じた回転方向となるように各コイル４１ａ２ｂ１，４１ａ２ｂ２に駆動電圧（駆動電流）を付与する。さらに、ドライバ回路６１ｂは、トルク信号に相当するトルク（駆動用モータ４１ａ２のトルク）となるように駆動電圧の大きさを調整する。

次に、上述した燃料電池システムの作動に係る第１制御例について説明する。制御装置６０は、図示しない起動スイッチがオンされると（あるいはユーザによって予め設定された起動開始時刻となったことにより自動的に起動が開始されると）、図４に示すフローチャートに対応するプログラムの実行を開始する。

制御装置６０は、ステップＳ１０２において、改質水ポンプ４１ａが異常であるか否か、すなわち改質水ポンプ４１ａの回転数（回転速度）が異常であるか否かを判定する。具体的には、制御装置６０は、改質水ポンプ４１ａの目標回転数（目標回転速度）と実回転数（実際の回転速度）との偏差が所定時間継続して所定値以上である場合、回転数（回転速度）が異常であると判定する。制御装置６０は、目標発電量（目標燃料投入量）およびＳ／Ｃから目標改質水投入量を算出し、目標改質水投入量および改質水ポンプ４１ａの単位時間当たり吐出量から目標改質水投入量に相当する目標回転速度を算出する。制御装置６０は、回転速度センサ４１ａ３によって実際に検出した駆動用モータ４１ａ２の実際の回転速度から改質水ポンプ４１ａの実際の回転速度を取得する。

制御装置６０は、改質水ポンプ４１ａの回転数が異常である場合には、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。一方、改質水ポンプ４１ａの回転数が異常でない場合には、制御装置６０は、ステップＳ１０２にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ１０２の処理を繰り返す。

制御装置６０は、ステップＳ１０４において、駆動用モータ４１ａ２に対する駆動電流値を通常の改質水供給時（改質水ポンプ４１ａの回転数が正常である場合）より増大させる。本実施形態においては、改質水ポンプ４１ａの回転数が異常である場合における駆動電流値は、正常である場合の２倍である。通常の改質水供給時においては、駆動電流値は最大定格電流より小さい値（例えば最大定格電流の半分の値）に設定されている。すなわち、通常の改質水供給時においては、駆動電圧値は最大定格電圧より小さい値（例えば最大定格電圧の半分の値）に設定されている。これに対して、異常時の改質水供給時においては、駆動電流値はほぼ最大定格電流に設定されている。すなわち、駆動電圧値は最大定格電圧に設定されている。これにより、駆動用モータ４１ａ２のトルクを通常と比較して増大させることができる（トルク増大制御）。
このとき、パルス信号は、通常時と同じ信号が付与されているので、駆動用モータ４１ａ２の回転速度は通常時と同じ回転速度に制御されている。すなわち、上述した目標回転速度に相当するパルス信号がドライバ回路６１ｂに付与され、そのパルス信号に応じた回転速度となるように、駆動電圧（駆動電流）が各コイル４１ａ２ｂ１，４１ａ２ｂ２に付与される。

制御装置６０は、トルク増大制御を所定時間継続し、その後、改質水ポンプ４１ａの回転数が異常であるか否かを再度判定する。具体的には、制御装置６０は、ステップＳ１０６において、トルク増大制御を開始した時点から所定時間経過したか否かを判定する。トルク増大制御を開始した時点から所定時間経過していない場合、制御装置６０は、ステップＳ１０６にて「ＮＯ」の判定を繰り返す。一方、トルク増大制御を開始した時点から所定時間経過した場合、制御装置６０は、ステップＳ１０６にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０８に進める。制御装置６０は、ステップＳ１０８において、上述したステップＳ１０２と同様に、改質水ポンプ４１ａの回転数が異常であるか否かを判定する。

改質水ポンプ４１ａの回転数が異常でない場合すなわち回転数異常が解消された場合には、制御装置６０は、ステップＳ１０８にて「ＮＯ」と判定し、異物の排出を行った後、異物排出にかかった時間（前述した所定時間）に供給すべき改質水量に対する過不足分を調整するように改質水を供給する（ステップＳ１１０）。これにより、不足分の改質水を補充することができる。その後、制御装置６０は、駆動用モータ４１ａ２の駆動電流値を正常時の電流値に戻し、通常の運転に復帰する（ステップＳ１１２）。
一方、改質水ポンプ４１ａの回転数が異常である場合すなわち回転数異常が解消されていない場合には、制御装置６０は、ステップＳ１０８にて「ＹＥＳ」と判定し、改質水ポンプ４１ａが異常（故障）であると判定し、燃料電池システムの運転（発電運転または起動運転）を停止する（ステップＳ１１４）。

なお、制御装置６０は、ステップＳ１０６の処理を省略し、回転数異常が解消されるまでにかかる時間を判定所定時間まで計測し、判定所定時間内に回転数異常が解消された場合には、計測した時間に供給すべき改質水量を補充する（ステップＳ１１０）ようにしてもよい。この場合、判定所定時間内に回転数異常が解消されない場合には、制御装置６０は、システムを停止する（ステップＳ１１４）。なお、判定所定時間は、回転数異常が解消されたか否かを判定するのに必要かつ十分な時間である。

上述した説明から明らかなように、本実施形態によれば、制御装置６０は、改質水ポンプ４１ａの異常を検出した場合、目標回転速度を異常検出直前の目標回転速度に維持しながら、駆動用モータ４１ａ２のトルクを通常の改質水供給時より増大させることにより、改質水ポンプ４１ａが異物引っかかり等により正常回転不能な状態から、正常回転可能となることで、改質水ポンプ４１ａの異物を排出する（異物排出部：ステップＳ１０４，１０６）。制御装置６０は、ステップＳ１０４，１０６（異物排出部）によって異物の排出を行った後、異物排出にかかった時間（ステップＳ１０６の所定時間）に供給すべき改質水量に対する過不足分を調整するように改質水を供給する（改質水量調整供給部：ステップＳ１１０）。したがって、改質水ポンプ４１ａが異常である場合、改質水（総量）を高精度にて供給することができる。

また、制御装置６０は、改質水ポンプ４１ａの異常を検出した場合、駆動用モータに対する回転速度指示を改質水ポンプ４１ａの目標回転速度に相当する指示値に維持しながら、駆動用モータ４１ａ２のトルクを通常の改質水供給時より増大させることにより、改質水ポンプ４１ａの異物を排出する（異物排出部：ステップＳ１０４，１０６）。
これによれば、改質水ポンプ４１ａの単位時間当たりの吐出量を増大させることなく、少なくとも目標回転速度以下に抑制した状態でトルクを増大させることができる。これに加えて、改質水ポンプ４１ａの異常を解消する場合のみに、消費電流を増大させ、改質水ポンプ４１ａが正常であり通常運転する場合には、消費電流を小さく抑制することができる。よって、改質水ポンプ４１ａが異常な場合に（異物引っかかり等で正常に回転不能である場合に）、改質水のより高精度の供給と、システム効率・作動音低減・耐久性向上との両立を達成しながら、改質水ポンプ４１ａの異常を確実に解消することができる。

また改質水ポンプ４１ａは、容積式ポンプであり、駆動用モータ４１ａ２は、回転速度を一定に維持しつつトルクを変化させることができるステッピングモータである。
これによれば、改質水ポンプ４１ａの単位時間当たりの吐出量を増大させることなく、一定に維持したままで、簡便な構成かつ安価に、トルクを増大させることができる。

なお、上述した実施形態においては、改質水ポンプ４１ａを容積式ポンプで、駆動用モータ４１ａ２をステッピングモータで構成するようにしたが、改質水ポンプ４１ａの単位時間当たりの吐出量を増大させることなく、一定に維持したままで、トルクを増大させることができる、他の構成を採用するようにしてもよい。

さらに、上述した燃料電池システムの作動に係る第２制御例について説明する。制御装置６０は、図示しない起動スイッチがオンされると（あるいはユーザによって予め設定された起動開始時刻となったことにより自動的に起動が開始されると）、図５に示すフローチャートに対応するプログラムの実行を開始する。なお、図４に示すフローチャートと同一の処理には同一符号を付してその説明を省略する。

図５に示すフローチャートは、異物を除去するために改質水ポンプ４１ａを正逆回転させている点で、図４に示すフローチャートと異なっている。
制御装置６０は、ステップＳ２０２にて、正逆回転の回数の積算を開始する。制御装置６０は、改質水ポンプ４１ａの時計回り回転（吐出回転）である時計回り回転を所定回転速度（例えば１０ｒｐｍ）にて所定時間（例えば５秒）だけ行わせ（ステップＳ２０４）、その後改質水ポンプ４１ａの回転を停止させる（ステップＳ２０６）。次に、制御装置６０は、改質水ポンプ４１ａの反時計回り回転（吸い込み回転）である反時計回り回転を所定回転速度（例えば１０ｒｐｍ）にて所定時間（例えば５秒）だけ行わせ（ステップＳ２０８）、その後改質水ポンプ４１ａの回転を停止させる（ステップＳ２１０）。

この制御が改質水ポンプ４１ａの正逆回転制御である。制御装置６０は、この正逆回転制御を所定回数（例えば５回）だけ繰り返す（ステップＳ２１２）。正逆回転を繰り返すことにより、改質水ポンプ４１ａに詰まった異物を確実に除去することができる。

この正逆回転制御の完了後、制御装置６０は、ステップＳ２１４において、異物の吐き出し、および改質水の補充を行う。具体的には、制御装置６０は、目標発電量に応じた目標供給量すなわち目標回転速度の２倍の回転速度で、正逆回転制御にかかった時間（正逆回転時間。例えば７０秒（＝１４秒×５回））だけ改質水ポンプ４１ａを駆動させる。このとき、パルス信号の周期は１／２倍となる（周波数は２倍となる）。駆動電流値（すなわちトルク）は通常時の２倍の電流値のままである。これにより、異物の排出を行った後、異物排出にかかった時間（前述した正逆回転時間）に供給すべき改質水量に対する過不足分を調整するように改質水を供給する。すなわち、不足分の改質水を補充することができる。

制御装置６０は、ステップＳ２１６において、目標供給量すなわち目標回転速度を目標発電量に応じた目標回転速度に復帰させるとともに、駆動電流値（駆動電圧）を正常時の駆動電流値（駆動電圧）に復帰させてトルクを正常時のトルクに復帰させる。その後、制御装置６０は、ステップＳ１０８にて、改質水ポンプ４１ａの回転数が異常であるか否かを判定する。改質水ポンプ４１ａの回転数が異常でない場合すなわち回転数異常が解消された場合には、制御装置６０は、ステップＳ１０８にて「ＮＯ」と判定し、通常の運転に復帰する（ステップＳ２１８）。

この第２制御例によれば、制御装置６０は、改質水ポンプの異常を検出した場合、駆動用モータのトルクを通常の改質水供給時より増大させるとともに、改質水ポンプの正逆回転を一回以上繰り返すことにより、改質水ポンプの異物を排出する（異物排出部：ステップＳ２０４〜ステップＳ２１２）。したがって、上述した第１制御例による作用・効果に加えて、改質水ポンプ４１ａが異常である場合、改質水ポンプ４１ａの異常をより確実に解消することができる。

１１…筐体、１１ａ…第１排気口、１１ｂ…空気導入口、１１ｃ…空気導出口、１２…仕切部材、１３…水タンク（貯水器）、１４…純水器、１５…換気用空気ブロワ、２０…燃料電池モジュール、２１…ケーシング、２１ａ…導出口、２２…蒸発部、２３…改質部、２４…燃料電池、２４ａ…セル、２４ｂ…燃料流路、２４ｃ…空気流路、２５…マニホールド、２６…燃焼空間（第１燃焼部）、２７…火炎、２８…第２燃焼部（燃焼触媒）、２８ｂ…燃焼触媒ヒータ、３０…排熱回収システム、３１…貯湯槽、３２…貯湯水循環ライン、３２ａ…貯湯水循環ポンプ、３２ｂ，３２ｃ…温度センサ、３３…熱交換器（凝縮器）、４１ａ…改質水ポンプ（水供給装置）、４１ａ２…駆動用モータ、４１ａ３…回転速度センサ、４２ａ…原料ポンプ、４４…カソードエア供給流路、４４ａ…カソードエアブロワ、５０…インバータ装置、５１…系統電源、５２…電源ライン、５３…外部電力負荷、６０…制御装置（異物排出部、改質水量調整供給部）、６１…駆動回路、Ｒ１…第１室、Ｒ２…第２室、Ｒ３…燃焼空間。

Claims (4)

1. 燃料および酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   改質用燃料と改質水とが供給されて前記燃料を生成する改質部と、
   前記改質水を供給する改質水ポンプを駆動する駆動用モータと、
   前記駆動用モータを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、
   前記制御装置は、
   前記改質水ポンプの異常を検出した場合、前記駆動用モータのトルクを通常の改質水供給時より増大させることにより、前記改質水ポンプの異物を排出する異物排出部と、
   前記異物排出部によって前記異物の排出を行った後、前記異物排出にかかった時間に供給すべき前記改質水量に対する過不足分を調整するように前記改質水を供給する改質水量調整供給部と、を備えている燃料電池システム。
2. 前記異物排出部は、前記改質水ポンプの異常を検出した場合、前記駆動用モータに対する回転速度指示を前記改質水ポンプの目標回転速度に相当する指示値に維持しながら、前記駆動用モータのトルクを通常の改質水供給時より増大させることにより、前記改質水ポンプの異物を排出する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記異物排出部は、前記改質水ポンプの異常を検出した場合、前記駆動用モータのトルクを通常の改質水供給時より増大させるとともに、前記改質水ポンプの正逆回転を一回以上繰り返すことにより、前記改質水ポンプの異物を排出する請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記改質水ポンプは、容積式ポンプであり、
   前記駆動用モータは、回転速度を一定に維持しつつトルクを変化させることができるステッピングモータである請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の燃料電池システム。
   
   
   
   

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