JP6542691B2 - 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（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、ポンプに改質水が供給されない改質水供給異常が発生し、かつ、モータ８２が正常に回転駆動している場合には、回転センサによって改質水供給異常を検知することができない。この場合において、燃料電池システムの運転が継続されたとき、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。

これに対し、改質水供給異常を検知するために、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。この場合において、改質水の目標流量が比較的少ないときにおいては、改質水の流量および圧力値の検出精度が比較的低いため、改質水供給異常を精度よく検知することができないことが考えられる。
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に改質水が供給されない改質水供給異常の発生を確実に検知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、シリンダ内に往復運動可能に収納され、コイルが通電されることにより移動し、かつ、被衝突部に衝突するプランジャを有するとともに、改質水を蒸発部に供給するプランジャ式の改質水ポンプと、プランジャの往復運動の際に生じる改質水ポンプの振動を検出する振動検出装置と、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、制御装置は、コイルへの通電開始時点からプランジャが被衝突部に衝突する衝突時点までのプランジャが移動中である第一時間内において、振動検出装置によって検出された振動の振幅が第一判定値以上である場合、改質水ポンプに改質水が供給されない改質水供給異常が発生したと判定する異常判定部を備えている。

改質水ポンプに改質水が正常に供給され、かつ、改質水ポンプが正常に作動している場合、シリンダ内の改質水の量が比較的多いため、シリンダ内の改質水が、プランジャの往復運動の際に生じる改質水ポンプの振動に対する緩衝材として作用する。その結果、プランジャの移動中に振動検出装置によって検出される振動の振幅が抑制される。一方、改質水ポンプに改質水が供給されない改質水供給異常が発生したことにより、シリンダ内の改質水の量が比較的少なくなった場合、改質水ポンプに改質水が正常に供給されているときに比べて、プランジャの移動中に振動検出装置によって検出される振動の振幅が大きくなる。
この知見に基づき、本発明の制御装置の異常判定部は、プランジャの移動中である第一時間内において、振動検出装置によって検出された振動の振幅が第一判定値以上である場合、改質水供給異常が発生したと判定する。よって、改質水供給異常の発生を確実に検知できる。

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に示す改質水ポンプの動作を示すタイムチャートであり、上段から順に、コイルの通電状態、改質水ポンプに異常が無い場合の振動検出装置の検出値、改質水供給異常が発生した場合の振動検出装置の検出値、および、改質水ポンプの異常が発生した場合の振動検出装置の検出値を示している。 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。

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の左側および右側、並びに、図２および図３の上側および下側をそれぞれ燃料電池システム１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１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、筐体１０ａ、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３０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。水タンク１４は、改質水を貯留するものである。水供給管１１ｂには、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、かつ、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１の運転を制御する。

燃料電池モジュール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とを混合して改質部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）が設けられている。

改質水ポンプ４０は、水タンク１４に貯留された改質水を蒸発部３２に供給するものである。改質水ポンプ４０は、プランジャポンプである。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。

第一ハウジング４１は、本体部４１ａ、フランジ部４１ｂ、第一逆止弁４１ｃおよび第二逆止弁４１ｄを備えている。本体部４１ａは、軸線４１ａ１方向に沿って延びる円筒状に形成されている。本体部４１ａには、入口開口４１ａ２、出口開口４１ａ３、第一流路４１ａ４および第二流路４１ａ５が設けられている。
入口開口４１ａ２は、第一ハウジング４１（本体部４１ａ）に設けられ、水タンク１４からの改質水が流入する開口部である。入口開口４１ａ２は、水供給管１１ｂを介して水タンク１４に接続されている。出口開口４１ａ３は、第一ハウジング４１（本体部４１ａ）に設けられ、本体部４１ａ内の後述するポンプ室ＰＲからの改質水が流出する開口部である。出口開口４１ａ３は、水供給管１１ｂを介して蒸発部３２に接続されている。

第一流路４１ａ４は、第一ハウジング４１（本体部４１ａ）に設けられ、入口開口４１ａ２とポンプ室ＰＲとを接続する流路である。第二流路４１ａ５は、第一ハウジング４１（本体部４１ａ）に設けられ、ポンプ室ＰＲと出口開口４１ａ３とを接続する流路である。
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。

第一逆止弁４１ｃは、第一流路４１ａ４に設けられ、水タンク１４から蒸発部３２へ向かう第一方向の改質水の流れを許容するが、第一方向と反対方向の改質水の流れを規制する逆止弁である。第一逆止弁４１ｃは、具体的には、入口開口４１ａ２からポンプ室ＰＲへの改質水の流れを許容するが、ポンプ室ＰＲから入口開口４１ａ２への改質水の流れを規制する。

第一逆止弁４１ｃは、図２の上側から下側に向かって順に、改質水が流通可能な貫通穴４１ｃ１ａが形成された第一保持板４１ｃ１、第一保持板４１ｃ１に保持されている第一スプリング４１ｃ２、第一スプリング４１ｃ２に付勢された球状の第一弁体４１ｃ３および第一弁座４１ｃ４から構成されている。第一弁座４１ｃ４は、隔壁４１ａ６に形成された貫通穴４１ａ６ａの図２の上側の開口縁に形成されている。第一保持板４１ｃ１は、第一流路４１ａ４に、例えば圧入により固定されている。第一逆止弁４１ｃは、第一弁体４１ｃ３と第一弁座４１ｃ４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４１ｃ３と第一弁座４１ｃ４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。

第二逆止弁４１ｄは、第二流路４１ａ５に設けられ、水タンク１４から蒸発部３２へ向かう第一方向の改質水の流れを許容するが、第一方向と反対方向の改質水の流れを規制する逆止弁である。第二逆止弁４１ｄは、具体的には、ポンプ室ＰＲから出口開口４１ａ３への改質水の流れを許容するが、出口開口４１ａ３からポンプ室ＰＲへの改質水の流れを規制する。

第二逆止弁４１ｄは、図２の右側から左側に向かって順に、改質水が流通可能な貫通穴４１ｄ１ａが形成された第二保持板４１ｄ１、第二保持板４１ｄ１に保持されている第二スプリング４１ｄ２、第二スプリング４１ｄ２に付勢された球状の第二弁体４１ｄ３および第二弁座４１ｄ４から構成されている。第二弁座４１ｄ４は、板部材４１ｄ５に形成された貫通穴４１ｄ５ａの図２の右側の開口縁に形成されている。第二保持板４１ｄ１および板部材４１ｄ５は、第二流路４１ａ５に、例えば圧入により固定されている。第二逆止弁４１ｄは、第二弁体４１ｄ３と第二弁座４１ｄ４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）、および第二弁体４１ｄ３と第二弁座４１ｄ４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２に破線にて示す）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内に向けて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までがコイル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内に往復運動可能かつ摺動可能に収納されている。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、第一逆止弁４１ｃの第一弁座４１ｃ４と、第二逆止弁４１ｄの第二弁座４１ｄ４との間に形成されている。ポンプ室ＰＲは、具体的には、隔壁４１ａ６、第一流路４１ａ４、本体部４１ａ、シリンダ４２ａ、プランジャ４４、第二流路４１ａ５および板部材４１ｄ５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、異常がない場合における改質水ポンプ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、この場合におけるプランジャ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４１ｃ３，４１ｄ３は、スプリング４１ｃ２，４１ｄ２の付勢力によって、各弁座４１ｃ４，４１ｄ４にそれぞれ当接している。すなわち、各逆止弁４１ｃ，４１ｄ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。そして、プランジャ４４の上端面が第一接触部４２ａ３（本発明の被衝突部に相当）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。

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内の圧力値が低下するため、第一弁体４１ｃ３が第一スプリング４１ｃ２の付勢力に抗して上方に向けて移動する。このとき、第一逆止弁４１ｃが「開状態」となるとともに、入口開口４１ａ２から第一流路４１ａ４を通って改質水がポンプ室ＰＲに流入する。そして、ポンプ室ＰＲ内の圧力値が上昇して、第一逆止弁４１ｃが「閉状態」となる。なお、この場合、第二逆止弁４１ｄは、「閉状態」のままである。

続けて、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。そして、プランジャ４４の下端面が第二接触部４１ｂ１（本発明の被衝突部に相当）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。

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、かつ、ポンプ室ＰＲ内の圧力値が上昇するため、第二弁体４１ｄ３が第二スプリング４１ｄ２の付勢力に抗して右方に移動する。このとき、第二逆止弁４１ｄが「開状態」となるとともに、ポンプ室ＰＲから改質水が第二流路４１ａ５を通って出口開口４１ａ３から流出する。そして、ポンプ室ＰＲ内の圧力値が低下するため、第二逆止弁４１ｄが「閉状態」となる。なお、この場合、第一逆止弁４１ｃ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、入口開口４１ａ２を通ってポンプ室ＰＲ内へ流入し、さらに、ポンプ室ＰＲ内から出口開口４１ａ３を通って流出する。

また、プランジャ４４が一往復したときに出口開口４１ａ３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、出口開口４１ａ３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。

このように、改質水ポンプ４０は、シリンダ４２ａ内に往復運動可能に収納され、コイル４３が通電されることにより移動し、かつ、各接触部４２ａ３，４１ｂ１に衝突するプランジャ４４を有するとともに、改質水を蒸発部３２に供給するプランジャ式のポンプ（プランジャポンプ）である。

また、燃料電池システム１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の往復運動の際に生じる改質水ポンプ４０の振動（後述する）を検出するものである。本実施形態において、振動検出装置５０は、図２および図３に示すように、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。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。

次に、プランジャ４４の往復運動の際に生じる改質水ポンプ４０の振動について図４に示すタイムチャートを用いて説明する。はじめに、改質水ポンプ４０に異常が発生していない場合について説明する。改質水ポンプ４０の振動は、コイル通電時間Ｔｋ内において、第一時間Ｔｍ１内と第二時間Ｔｍ２内とで、異なる振動が生じている。第一時間Ｔｍ１は、コイル４３の通電開始時点（時刻ｔ１）からプランジャ４４が第一接触部４２ａ３に衝突する衝突時点（時刻ｔ２）までのプランジャ４４が移動中である時間である。第二時間Ｔｍ２は、衝突時点（時刻ｔ２）からコイル４３の通電終了時点（時刻ｔ３）までの時間である。

第一時間Ｔｍ１内においては、プランジャ４４の外周面がシリンダ４２ａの内周面と接触しながらプランジャ４４が移動することにより、比較的小さい振動（以下、移動振動Ｖｍとする。）が発生する。改質水ポンプ４０に異常が無い場合、シリンダ４２ａ内に改質水の量が比較的多く存在するため、この改質水が移動振動Ｖｍ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内に改質水の量が比較的少ない場合に比べて、移動振動Ｖｍが抑制される。

そして、第二時間Ｔｍ２内においては、プランジャ４４が第一接触部４２ａ３に衝突することにより、移動振動Ｖｍより大きい振動（以下、衝突振動Ｖａとする。）が発生する。衝突振動Ｖａは、プランジャ４４と第一接触部４２ａ３とが衝突した時に発生し、その後減衰する。改質水ポンプ４０に異常が無い場合、シリンダ４２ａ内に改質水の量が比較的多く存在するため、この改質水が衝突振動Ｖａ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内に改質水の量が比較的少ない場合に比べて、衝突振動Ｖａが抑制される。

これら移動振動Ｖｍおよび衝突振動Ｖａが第二ハウジング４２全体および第一ハウジング４１全体に伝達するとともに、振動検出装置５０によって検出される。なお、図４に示す振動検出装置５０の検出値（加速度）は、コイル４３が非通電から通電となった場合に生じる改質水ポンプ４０の振動が示されており、コイル４３が通電から非通電となる場合に生じる移動振動Ｖｍ、および、プランジャ４４と第二接触部４１ｂ１とが衝突することにより生じる衝突振動Ｖａは、省略されている。

次に、改質水供給異常が発生した場合において、プランジャ４４の往復運動の際に生じる改質水ポンプ４０の振動について説明する。改質水供給異常は、改質水ポンプ４０に異常は無いが、改質水ポンプ４０に改質水が供給されない異常である。改質水供給異常は、例えば、水タンク１４に貯留されている改質水の不足によって発生する。

改質水供給異常が発生した場合において改質水ポンプ４０が作動したとき、ポンプ室ＰＲ内には改質水でなく空気が流入するため、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的少なくなる。この場合、改質水が緩衝材として作用しないため、改質水供給異常がない場合に比べて、移動振動Ｖｍおよび衝突振動Ｖａが大きくなる。

続けて、改質水ポンプ４０の異常（以下、ポンプ異常とする。）が発生した場合において、プランジャ４４の往復運動の際に生じる改質水ポンプ４０の振動について説明する。ポンプ異常は、改質水ポンプ４０が動作しない異常である。ポンプ異常は、具体的には、プランジャ４４が作動しない異常である。ポンプ異常は、例えば、コイル４３の断線、スプリング４５の破損、シリンダ４２ａとプランジャ４４との間への異物の噛み込み等によって発生する。

ポンプ異常が発生した場合、プランジャ４４が作動しないため、移動振動Ｖｍおよび衝突振動Ｖａが生じない。よって、この場合、改質水ポンプ４０に異常が無い場合にくらべて、コイル４３が通電されているコイル通電時間Ｔｋ内における振動検出装置５０の検出値が小さい。

図１に戻って、燃料電池システム１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、燃料と酸化剤ガスとから発電するものである。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。

制御装置１５は、改質水ポンプ４０を少なくとも制御するものである。制御装置１５は、演算処理を実行するＣＰＵ部（図示なし）、および、プログラムなどを保存するＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部（図示なし）を備えている。また、制御装置１５は、異常判定制御を実行する。異常判定制御は、改質水供給異常およびポンプ異常が発生したか否かを判定する制御である。

次に、制御装置１５によって実行される異常判定制御について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。
制御装置１５は、ステップＳ１０２にて、コイル４３への通電が開始されたか否かを判定する。コイル４３が通電されていない場合、制御装置１５は、ステップＳ１０２を繰り返し実行する。一方、コイル４３が通電された場合、制御装置１５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。

制御装置１５は、ステップＳ１０４にて振動検出装置５０の検出値を取得および記憶し（記憶部）、ステップＳ１０６にてコイル４３への通電が終了したか否かを判定する。コイル４３への通電が終了していない場合、制御装置１５は、ステップＳ１０６にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ１０４を再度実行する。一方、コイル４３への通電が終了した場合、制御装置１５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。すなわち、制御装置１５は、コイル通電時間Ｔｋ内における振動検出装置５０の検出値を時系列に記憶する。

制御装置１５は、ステップＳ１０８にて、第一振幅Ａ１および第二振幅Ａ２を導出する。第一振幅Ａ１は、第一時間Ｔｍ１内における振動検出装置５０によって検出された振動（移動振動Ｖｍ）の振幅である。制御装置１５は、具体的には、記憶部に記憶された第一時間Ｔｍ１内における振動検出装置５０の検出値の最大値と最小値との差を第一振幅Ａ１として導出する（図４参照）。第二振幅Ａ２は、第二時間Ｔｍ２内における振動検出装置５０によって検出された振動（衝突振動Ｖａ）の振幅である。制御装置１５は、具体的には、記憶部に記憶された第二時間Ｔｍ２内における振動検出装置５０の検出値の最大値と最小値との差を第二振幅Ａ２として導出する（図４参照）。第一振幅Ａ１および第二振幅Ａ２は、本発明の振幅に相当する。

続けて、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて、改質水供給異常が発生しているか否かを判定する（異常判定部）。制御装置１５は、具体的には、第一振幅Ａ１が第一判定値ＴｈＡ１以上であるか否かを判定する。第一判定値ＴｈＡ１は、改質水ポンプ４０に異常が無い場合における第一振幅Ａ１より大きく、かつ、改質水供給異常が発生した場合における第一振幅Ａ１より小さい振幅に設定されている（図４参照）。第一判定値ＴｈＡ１は、予め実験等により実測されて導出されている。改質水供給異常が発生している場合、上述したように改質水ポンプ４０に異常が無い場合に比べて、移動振動Ｖｍが大きくなる。その結果、第一振幅Ａ１が第一判定値ＴｈＡ１以上である場合、制御装置１５は、改質水供給異常が発生していると判定する。この場合、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１１４にて燃料電池システム１の運転を停止する。

一方、改質水供給異常が発生していない場合、上述したように移動振動Ｖｍが抑制される。その結果、第一振幅Ａ１が第一判定値ＴｈＡ１より小さい場合、制御装置１５は、改質水供給異常が発生していないと判定する。この場合、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１１２に進める。

制御装置１５は、ステップＳ１１２にて、ポンプ異常が発生しているか否かを判定する（異常判定部）。制御装置１５は、具体的には、第二振幅Ａ２が第二判定値ＴｈＡ２以下であるか否かを判定する。第二判定値ＴｈＡ２は、改質水ポンプ４０に異常が無い場合における第二振幅Ａ２より小さく、かつ、ポンプ異常が発生した場合における第二振幅Ａ２より大きい振幅に設定されている（図４参照）。第二判定値ＴｈＡ２は、予め実験等により実測されて導出されている。ポンプ異常が発生している場合、上述したように衝突振動Ｖａが発生しない。その結果、第二振幅Ａ２が第二判定値ＴｈＡ２以下である場合、制御装置１５は、ポンプ異常が発生していると判定する。この場合、制御装置１５は、ステップＳ１１２にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１１４にて燃料電池システム１の運転を停止する。

一方、ポンプ異常が発生していない場合、上述したように衝突振動Ｖａが発生している。その結果、第二振幅Ａ２が第二判定値ＴｈＡ２より大きい場合、制御装置１５は、ポンプ異常が発生していないと判定する。この場合、制御装置１５は、ステップＳ１１２にて「ＮＯ」と判定する。すなわち、この場合、改質水供給異常およびポンプ異常が発生していない。そして、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１０２に戻すことにより、異常判定制御を繰り返し実行する。

本実施形態によれば、燃料電池システム１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、シリンダ４２ａ内に往復運動可能に収納され、コイル４３が通電されることにより移動し、かつ、各接触部４２ａ３，４１ｂ１に衝突するプランジャ４４を有するとともに、改質水を蒸発部３２に供給するプランジャ式の改質水ポンプ４０と、プランジャ４４の往復運動の際に生じる改質水ポンプ４０の振動を検出する振動検出装置５０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。制御装置１５は、コイル４３への通電開始時点からプランジャ４４が第一接触部４２ａ３に衝突する衝突時点までのプランジャ４４が移動中である第一時間Ｔｍ１内において、振動検出装置５０によって検出された振動（移動振動Ｖｍ）の振幅（第一振幅Ａ１）が第一判定値ＴｈＡ１以上である場合、改質水ポンプ４０に改質水が供給されない改質水供給異常が発生したと判定する異常判定部（ステップＳ１１０，１１２）を備えている。
改質水ポンプ４０に改質水が正常に供給され、かつ、改質水ポンプ４０が正常に作動している場合、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的多いため、シリンダ４２ａ内の改質水が、プランジャ４４の往復運動の際に生じる改質水ポンプ４０の振動に対する緩衝材として作用する。その結果、プランジャ４４の移動中に振動検出装置５０によって検出される振動の振幅が抑制される。一方、改質水ポンプ４０に改質水が供給されない改質水供給異常が発生したことにより、シリンダ４２ａ内の改質水の量が比較的少なくなった場合、改質水ポンプ４０に改質水が正常に供給されているときに比べて、プランジャ４４の移動中に振動検出装置５０によって検出される振動の振幅が大きくなる。
この知見に基づき、制御装置１５の異常判定部（ステップＳ１１０，１１２）は、プランジャ４４の移動中である第一時間Ｔｍ１内において、振動検出装置５０によって検出された振動（移動振動Ｖｍ）の振幅（第一振幅Ａ１）が第一判定値ＴｈＡ１以上である場合、改質水供給異常が発生したと判定する。よって、改質水供給異常の発生を確実に検知できることができる。

さらに、制御装置１５は、改質水供給異常が発生したと判定された場合、例えば燃料電池システム１の運転を停止する等の対処を行うことができる。
また、制御装置１５は、水タンク１４に改質水が貯留されていないことによる改質水供給異常が発生していることを判定できる。よって、水タンク１４に改質水が貯留されているか否かを検知するために、水タンク１４の水位を検出する水位センサを不要とすることができる。よって、水タンク１４に水位センサが設けられている場合に比べて燃料電池システム１の部品点数を低減することができる。よって、燃料電池システム１の低コスト化を図ることができる。
また、従来技術の改質水ポンプ４０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４０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、従来技術の改質水ポンプを構成する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、制御装置１５の異常判定部（ステップＳ１１０，１１２）は、衝突時点からコイル４３への通電終了時点までの第二時間Ｔｍ２内において、振動検出装置５０によって検出された振動（衝突振動Ｖａ）の振幅（第二振幅Ａ２）が第二判定値ＴｈＡ２以下である場合、改質水ポンプ４０の異常（ポンプ異常）が発生したと判定する。
コイル４３への通電がされた場合においてもプランジャ４４が移動しないポンプ異常が発生した場合、プランジャ４４の被衝突部への衝突による改質水ポンプ４０の振動が発生しない。よって、この場合、改質水ポンプ４０が正常に作動しているときに比べて、振動検出装置５０によって検出される振動の振幅が小さくなる。
これに対し、制御装置１５の異常判定部（ステップＳ１１０，１１２）は、プランジャ４４が第一接触部４２ａ３に衝突する第二時間Ｔｍ２内において、振動検出装置５０によって検出された振動（衝突振動Ｖａ）の振幅（第二振幅Ａ２）が第二判定値ＴｈＡ２以下である場合、プランジャ４４が移動しないポンプ異常が発生したと判定する。よって、燃料電池システム１は、上述した改質水供給異常に加え、別途部材を追加することなく、ポンプ異常を確実に検知することができる。

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、制御装置１５は、改質水供給異常およびポンプ異常の何れか一方が発生したとの判定を一回行った場合、燃料電池システム１の運転の停止をしているが（ステップＳ１１４）、これに代えて、改質水供給異常およびポンプ異常の何れか一方が発生したとの判定を連続して所定回数（例えば３回）行った場合、燃料電池システム１の運転の停止をするようにしても良い。

また、上述した実施形態において、コイル通電時間Ｔｋが終了した時点にて、改質水供給異常が発生したか否かを判定しているが、これに代えて、第一時間Ｔｍ１が終了した時点にて、改質水供給異常が発生したか否かを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。
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、改質水供給異常およびポンプ異常を判定するタイミングや、振動検出装置５０の配設位置を変更するようにしても良い。

１…燃料電池システム、１１（３０）…燃料電池モジュール、１１ｂ１（４０）…改質水ポンプ、１５…制御装置、３２…蒸発部、３３…改質部、３４…燃料電池、４１…第一ハウジング、４１ｂ１…第二接触部（被衝突部）、４２ａ３…第一接触部（被衝突部）、４３…コイル、４４…プランジャ、５０…振動検出装置、Ａ１…第一振幅（振幅）、Ａ２…第二振幅（振幅）、ＴｈＡ１…第一判定値、ＴｈＡ２…第二判定値、Ｔｍ１…第一時間、Ｔｍ２…第二時間、Ｔｋ…コイル通電時間、Ｖａ…衝突振動（振動）、Ｖｍ…移動振動（振動）。

Claims (2)

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、
   シリンダ内に往復運動可能に収納され、コイルが通電されることにより移動し、かつ、被衝突部に衝突するプランジャを有するとともに、前記改質水を前記蒸発部に供給するプランジャ式の改質水ポンプと、
   前記プランジャの往復運動の際に生じる前記改質水ポンプの振動を検出する振動検出装置と、
   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、
   前記制御装置は、前記コイルへの通電開始時点から前記プランジャが前記被衝突部に衝突する衝突時点までの前記プランジャが移動中である第一時間内において、前記振動検出装置によって検出された前記振動の振幅が第一判定値以上である場合、前記改質水ポンプに前記改質水が供給されない改質水供給異常が発生したと判定する異常判定部を備えている燃料電池システム。
2. 前記異常判定部は、前記衝突時点から前記コイルへの通電終了時点までの第二時間内において、前記振動検出装置によって検出された前記振動の振幅が第二判定値以下である場合、前記改質水ポンプの異常が発生したと判定する請求項１記載の燃料電池システム。

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