(57)【要約】燃料電池システム(1)は、燃料電池(7)と、電磁式ダイヤフラムポンプ(8)と、流量検出器(9)と、制御器(20)と、を備え、制御器は、電磁式ダイヤフラムポンプに印加される交流電圧（印加交流電圧）の周波数を設定し、当該設定された周波数において印加交流電圧の電圧を制御して、流量検出器により検出されるガスの流量を目標流量となるように制御し、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、印加交流電圧の電圧が前記所定の電圧より小さくなる周波数に印加交流電圧の周波数を設定し直すよう構成されている。
2013021547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池と、
前記水素含有ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれか一方のガスを、印加される交流電圧の電圧および周波数に応じた流量で前記燃料電池に供給する電磁式ダイヤフラムポンプと、
前記電磁式ダイヤフラムポンプにより前記燃料電池へ供給される前記ガスの流量を検出する流量検出器と、
前記電磁式ダイヤフラムポンプに印加される交流電圧（以下、印加交流電圧という）の電圧および周波数を制御する制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記印加交流電圧の周波数を設定し、当該設定された周波数において前記印加交流電圧の電圧を制御して、前記流量検出器により検出される前記ガスの流量を目標流量となるように制御し、前記印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、前記印加交流電圧の電圧が前記所定の電圧より小さくなる周波数に前記印加交流電圧の周波数を設定し直すよう構成されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、設定すべき順に高くなる複数の運転周波数を予め記憶しており、前記印加交流電圧の周波数をいずれかの前記運転周波数に設定して前記ガスの流量を制御し、前記印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、前記設定すべき順における次の運転周波数に前記印加交流電圧の周波数を設定し直すよう構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、所定の周波数範囲内で前記印加交流電圧の周波数を変化させながら各周波数毎に所定の流量となる前記印加交流電圧の電圧を取得し、当該取得した電圧のうちの最小電圧に対応する周波数に前記印加交流電圧の周波数を設定し直すよう構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記設定し直される周波数は、前記電磁式ダイヤフラムポンプのダイヤフラムの共振周波数に対応する周波数である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記設定し直される周波数は、その前に設定された周波数より高い周波数である、請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記印加交流電圧の周波数を設定し直すとき、前記印加交流電圧の電圧が前記所定の電圧より小さくならない場合、前記制御器は前記電磁式ダイヤフラムポンプの運転を停止するよう構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記所定の電圧は、前記電磁式ダイヤフラムポンプに印加可能な最大電圧より小さい、請求項１〜６のいずれか一項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、燃料電池システムに関し、特に、反応ガスの供給部に電磁式ダイヤフラムポンプを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、水素含有ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置では、燃料電池空気ブロワが燃料電池本体の空気極に空気を供給している。また、改質装置は、燃料ブロワから供給された燃料を水素リッチなガスに改質して、燃料電池本体の燃料極に水素リッチなガスを供給している。燃料電池本体は、これらの水素リッチなガスと酸素とを反応させ直流電力を生成している（たとえば、特許文献１参照）。【０００３】
一方、流体の供給装置として電磁式ダイヤフラムポンプが知られている（たとえば、特許文献２、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８４５６４号公報
【特許文献２】特開２００５−２７３４７７号公報
【特許文献３】特開平２−６４２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電磁式ダイヤフラムポンプは、構造が簡単で摺動部を持たず、耐久性に優れ、且つ安価であるので、これを特許文献１の燃料電池システムの燃料電池空気ブロワおよび燃料ブロワに用いることが考えられる。一方、電磁式ダイヤフラムポンプを用いることによって課題が生じる可能性もある。しかし、上記特許文献１は、そのことについて全く言及していない。【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、反応ガスの供給部に電磁式ダイヤフラムポンプを用いた燃料電池システムにおいて、低温環境下および長期間の使用における発電効率の低下を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様に係る、燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池と、前記水素含有ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれか一方のガスを、印加される交流電圧の電圧および周波数に応じた流量で前記燃料電池に供給する電磁式ダイヤフラムポンプと、前記電磁式ダイヤフラムポンプにより前記燃料電池へ供給される前記ガスの流量を検出する流量検出器と、前記電磁式ダイヤフラムポンプに印加される交流電圧（以下、印加交流電圧という）の電圧および周波数を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記印加交流電圧の周波数を設定し、当該設定された周波数において前記印加交流電圧の電圧を制御して、前記流量検出器により検出される前記ガスの流量を目標流量となるように制御し、前記印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、前記印加交流電圧の電圧が前記所定の電圧より小さくなる周波数に前記印加交流電圧の周波数を設定し直すよう構成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、反応ガスの供給部に電磁式ダイヤフラムポンプを用いた燃料電池システムにおいて、低温環境下および長期間の使用における発電効率の低下を抑制できる燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。【０００９】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示した機能ブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムに用いられる電磁式ダイヤフラムポンプを示す断面図である。
【図３】図１の燃料電池システムにおける反応ガスの供給制御の一例を示すフローチャートである。
【図４】図１の燃料電池システムの運転時間と電磁式ダイヤフラムポンプに印加される交流電圧の電圧との関係を模式的に示すグラフである。
【図５】図２の電磁式ダイヤフラムポンプに印加される交流電圧の電圧と周波数との関係を示すグラフである。
【図６】図１の燃料電池システムの消費電力と運転時間との関係を示すグラフである。
【図７】図１の燃料電池システムの騒音と電磁式ダイヤフラムポンプに印加される交流電圧の周波数との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおける反応ガスの供給制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の基礎となる知見）
本発明者等は、反応ガスの供給部に電磁式ダイヤフラムポンプを用いることによって生じる燃料電池システムの課題および当該課題を解決する方策について鋭意検討を重ねた。その結果、以下の知見を得た
＜電磁式ダイヤフラムポンプの採用により生じる課題＞
燃料電池システムの発電効率（原料のエネルギに対する発電エネルギの割合）を上げるためには、たとえば、２つのことが望まれる。第１に、１日の発電時間を電力需要の範囲においてできるだけ長くすることである。第２に、補機部品、特に電力消費量の多い流体供給部の消費電力を抑制することである。
【００１２】
ところで、燃料電池システムを家庭用の発電機として使用する場合、比較的高価な設備として扱われる。このため、燃料電池システムの耐用年数は長いこと（たとえば１０年）が要求される。ところが、燃料電池システムにおける発電時間が長ければ、燃料電池システムの耐用年数が短くなってしまう。
【００１３】
一方、電磁式ダイヤフラムポンプにおけるダイヤフラムのゴム材料は、低温環境で硬化したり、長期間の使用による経年劣化に伴い硬化したりする。ダイヤフラムが硬化すると、ゴムを一定量伸ばすために必要な引張り力が硬化前に比べて大きくなる。よって、ゴムの伸縮を利用して空気を吐出する電磁式ダイヤフラムポンプでは、一定の空気を吐出するために必要な電力消費量が増加し、発電効率が低下する。
【００１４】
そこで、反応ガスの供給部（流体供給部）に電磁式ダイヤフラムポンプを用いると低温環境下および長期間の使用において発電効率が低下するという課題が生じる。
【００１５】
＜課題を解決する方策＞
上記課題を解決する方策として、ダイヤフラムの移動距離を短くすることにより、ダイヤフラムのゴムの伸縮量を小さくすることが考えられる。この方策によれば、ダイヤフラムの往復運動における荷重が小さくなり、ゴムが硬化しても電磁式ダイヤフラムポンプの消費電力を抑制し、ひいては発電効率の低下を抑制することができる。しかし、この方策だけでは、ダイヤフラムの移動距離の短縮化によって、１往復（ストローク）当たりの電磁式ダイヤフラムポンプの吐出量が減少するので、所定の流体供給量を賄うために、吐出量の減少を防止する方策を講じる必要がある。
【００１６】
この方策として、ダイヤフラムゴムの流体接触面積を大きくすることが考えられる。しかし、この方策では、電磁式ダイヤフラムポンプが大型化し、ひいては燃料電池システムの設置スペースの増大および価格の上昇を招いてしまう。従って、この方策を採用することは得策ではない。
【００１７】
そこで、本発明者等は、電磁式ダイヤフラムポンプの吐出量が、印加される交流電圧の周波数に比例することに着眼した。電磁式ダイヤフラムポンプに印加される交流電圧（以下、「印加交流電圧」という）の周波数を増加すれば、ダイヤフラムの往復回数が増加して、吐出量を増加することができる。但し、一定の吐出量を得るために必要な印加交流電圧の電圧（電圧値）は印加交流電圧の周波数に依存して変化し、ダイヤフラムの共振周波数において最小となる。従って、周波数を増加する場合には、少なくとも、一定の吐出量を得るために必要な印加交流電圧の電圧が小さくなるような周波数に増加することが肝要である。
【００１８】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【００１９】
本発明の第１の発明に係る燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池と、前記水素含有ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれか一方のガスを、印加される交流電圧の電圧および周波数に応じた流量で前記燃料電池に供給する電磁式ダイヤフラムポンプと、前記電磁式ダイヤフラムポンプにより前記燃料電池へ供給される前記ガスの流量を検出する流量検出器と、前記電磁式ダイヤフラムポンプに印加される交流電圧（以下、印加交流電圧という）の電圧および周波数を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記印加交流電圧の周波数を設定し、当該設定された周波数において前記印加交流電圧の電圧を制御して、前記流量検出器により検出される前記ガスの流量を目標流量となるように制御し、前記印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、前記印加交流電圧の電圧が前記所定の電圧より小さくなる周波数に前記印加交流電圧の周波数を設定し直すよう構成されている。
【００２０】
この構成によれば、印加交流電圧の電圧が所定の電圧になったとき、印加交流電圧の電圧が所定の電圧より小さくなるように、印加交流電圧の周波数が設定される。よって、ダイヤフラムの移動距離が短くなり、ゴムが硬化しても電磁式ダイヤフラムポンプの消費電力が抑制され、燃料電池システムの発電効率の低下が抑制される。この際、ダイヤフラムの移動距離の短縮化によって、１往復当たりの電磁式ダイヤフラムポンプの吐出量が減少するが、印加交流電圧の電圧が所定の電圧より小さくなる周波数に印加交流電圧の周波数が設定し直されることにより、吐出量の低下が防止される。
【００２１】
本発明の第２の発明に係る燃料電池システムは、第１の発明に係る燃料電池システムにおいて、前記制御器は、設定すべき順に高くなる複数の運転周波数を予め記憶しており、前記印加交流電圧の周波数をいずれかの前記運転周波数に設定して前記ガスの流量を制御し、前記印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、前記設定すべき順における次の運転周波数に前記印加交流電圧の周波数を設定し直すよう構成されていてもよい。
【００２２】
この構成によれば、簡単な構成で、印加交流電圧の電圧が電圧より小さくなって、発電効率の低下が抑制されるとともに、運転周波数が高くなることにより、吐出量の低下を防止することができる。
【００２３】
本発明の第３の発明に係る燃料電池システムは、第１の発明に係る燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、所定の周波数範囲内で前記印加交流電圧の周波数を変化させながら各周波数毎に所定の流量となる前記印加交流電圧の電圧を取得し、当該取得した電圧のうちの最小電圧に対応する周波数に前記印加交流電圧の周波数を設定し直すよう構成されていてもよい。
【００２４】
この構成によれば、印加交流電圧の電圧が最少になるように印加交流電圧の周波数が設定し直される。このため、燃料電池システムの発電効率の低下が抑制される。また、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になる場合、一般的に電磁式ダイヤフラムポンプの共振周波数が高くなるっているので、より高い周波数に設定し直される。よって、吐出量の低下を防止することができる。
【００２５】
本発明の第４の発明に係る燃料電池システムは、第１〜第３のいずれか１つの発明に係る燃料電池システムにおいて、前記設定し直される周波数は、前記電磁式ダイヤフラムポンプのダイヤフラムの共振周波数に対応する周波数であってもよい。
【００２６】
この構成によれば、印加交流電圧の周波数が、ダイヤフラムの共振周波数に対応する周波数に設定し直される。これにより、好適に、吐出量の低下を防止しつつ燃料電池システムの発電効率の低下を抑制することができる。
【００２７】
本発明の第５の発明に係る燃料電池システムは、第３または第４の発明に係る燃料電池システムにおいて、前記設定し直される周波数は、その前に設定された周波数より高い周波数であってもよい。
【００２８】
この構成によれば、印加交流電圧の電圧が所定の電圧より小さくなって、ダイヤフラムの移動距離が短くなっても、周波数が高くなることにより、吐出量の低下が防止される。
【００２９】
本発明の第６の発明に係る燃料電池システムは、第１〜第５のいずれか１つの発明に係る燃料電池システムにおいて、前記印加交流電圧の周波数を設定し直すとき、前記印加交流電圧の電圧が前記所定の電圧より小さくならない場合、前記制御器は前記電磁式ダイヤフラムポンプの運転を停止するよう構成されていてもよい。
【００３０】
この構成によれば、たとえば、所定電圧を電磁式ダイヤフラムポンプの最大電圧以下の電圧に規定することにより、最大電圧が電磁式ダイヤフラムポンプに印加されて電磁式ダイヤフラムが停止するなどのトラブルが回避される。
【００３１】
本発明の第７の発明に係る燃料電池システムは、第１〜第６のいずれか１つの発明に係る燃料電池システムにおいて、前記所定の電圧は、前記電磁式ダイヤフラムポンプに印加可能な最大電圧より小さくてもよい。
【００３２】
この構成によれば、最大電圧が電磁式ダイヤフラムポンプに印加されて電磁式ダイヤフラムが停止するなどのトラブルが回避される。
【００３３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００３４】
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００３５】
（実施の形態１）
［燃料電池システムの構成］
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１の構成を模式的に示した機能ブロック図である。
【００３６】
燃料電池システム１は、たとえば、定置用燃料電池コージェネシステム、モバイル用燃料電池システム、および、自動車用燃料電池システムに適用でき、家庭用および工業用の電力源として採用される。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池７、電磁式ダイヤフラムポンプ８、酸化剤ガスの流量検出器９、および制御器２０を備える。燃料電池システム１は、筐体４、水素生成装置１７、燃料昇圧ブロワ１８、インバータ１９などをさらに備えてもよい。
【００３７】
筐体４は、燃料電池７、電磁式ダイヤフラムポンプ８、酸化剤ガスの流量検出器９、制御器２０、水素生成装置１７、燃料昇圧ブロワ１８、インバータ１９などを収容する。筐体４は、酸化剤ガスを導入する吸込み口５を有する。
【００３８】
燃料電池７は、水素含有ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう装置である。燃料電池７は、複数の電池セル（図示せず）が積み重ねられたスタック（図示せず）を含む。電池セルは、アノード極１５と、カソード極１６と、これら電極１５、１６の間に配置された固体高分子である電解質（図示せず）とを有している。アノード極１５は、水素含有ガス流路２３により水素生成装置１７と接続される。カソード極１６は、酸化剤ガス流路６により電磁式ダイヤフラムポンプ８と接続される。電池セルにおいて、アノード極１５に供給された水素含有ガスと、カソード極１６に供給された酸化剤ガスとが、電気化学的な発電反応を行う。
【００３９】
水素生成装置１７は、燃料を改質して水素含有ガスを生成し、水素含有ガスを燃料電池７のアノード極１５に供給する装置である。水素生成装置１７は燃料流路２１により燃料昇圧ブロワ１８と接続され、燃料が燃料昇圧ブロワ１８から水素生成装置１７へ供給される。燃料としては、水蒸気改質反応により水素含有ガスを得ることのできる物質であれば、特に限定されない。燃料には、たとえば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物が用いられる。特に、工業用あるいは家庭用に入手できる水素製造用原料の好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの炭化水素油が挙げられる。
【００４０】
燃料の流量検出器２２は、燃料昇圧ブロワ１８から水素生成装置１７に供給される燃料の流量を検出する計測装置である。燃料の流量検出器２２は燃料流路２１に介在する。燃料の流量検出器２２は、検出した燃料の流量を制御器２０へ出力する。
【００４１】
電磁式ダイヤフラムポンプ８は、酸化剤ガスを燃料電池７のカソード極１６に供給する装置である。電磁式ダイヤフラムポンプ８は、吸い込み口５から燃料電池７のカソード極１６に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路６に設けられる。酸化剤ガスとして、たとえば、酸素や空気などが用いられる。電磁式ダイヤフラムポンプ８により供給される酸化剤ガスの流量は、後述するように、印加される交流電圧（以下、「印加交流電圧」という。）の電圧および周波数に対応する。印加交流電圧は、インバータ１９または外部電力系統（図示せず）などから電磁式ダイヤフラムポンプ８に加えられる。
【００４２】
酸化剤ガスの流量検出器９は、電磁式ダイヤフラムポンプ８により燃料電池７へ供給される酸化剤ガスの流量を検出する計測装置である。酸化剤ガス流路６検出器は、酸化剤ガス流路６において電磁式ダイヤフラムポンプ８と燃料電池７との間に設けられる。酸化剤ガスの流量検出器９は、検出した酸化剤ガスの流量を制御器２０へ出力する。
【００４３】
フィルタ１０は、吸込み口５から導入した酸化剤ガスから異物を捕捉する部材である。フィルタ１０は、酸化剤ガス流路６において吸込み口５と電磁式ダイヤフラムポンプ８との間に設けられる。このため、異物が除去された酸化剤ガスが電磁式ダイヤフラムポンプ８および燃料電池７に供給される。
【００４４】
インバータ１９は、燃料電池７で生成された直流電力を外部電力系統（図示せず）の交流電力の周波数と同じ周波数を持つ交流電力に変換する。インバータ１９で変換された交流電力は、電力系統に供給される。
【００４５】
制御器２０は、酸化剤ガスの流量検出器９から出力された検出値などに基づいて、印加交流電圧の電圧（電圧値）および周波数を制御する装置である。制御器２０は、演算処理機能を備えるものであればよい。制御器２０として、マイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、論理回路、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)等が例示される。この印加交流電圧の電圧および周波数の制御は、図示されない電力変換装置を用いて電磁式ダイヤフラムポンプ８に交流電圧を印可し、当該電力変換装置の出力の電圧および周波数を制御器２０が制御することによって行われる。電力変換装置として周知のものを用いることができる。ここでは、たとえば、電力変換装置としてインバータが用いられ、当該インバータを制御器２０がＰＭＷ制御する。この場合、印加交流電圧の電圧の大小はそのデューティ比で表される。なお、他の構成が採用される場合には、印加交流電圧の電圧の大小はアナログ量で表わされ得る。
【００４６】
［電磁式ダイヤフラムポンプの構成］
図２は、の燃料電池システム１に用いられる電磁式ダイヤフラムポンプ８を示す断面図である。
【００４７】
電磁式ダイヤフラムポンプ８は、電磁石１１、ロッド１２、ダイヤフラム１３、永久磁石１４、チャンバ２４を備える。永久磁石１４は、ロッド１２に固定され、電磁石１１に対応する位置に配される。ロッド１２の両端のそれぞれにダイヤフラム１３が取り付けられている。ダイヤフラム１３はゴムなどの弾性材で形成されており、ダイヤフラム１３の圧送面はロッド１２に対して垂直に配される。
【００４８】
永久磁石１４と電磁石１１とが磁気的に相互作用することにより、ロッド１２が往復運動する。この往復運動に伴い、ダイヤフラム１３が往復移動する。チャンバ２４の容積が増加する方向にダイヤフラム１３が移動すると、チャンバ２４の圧力が減少し、吸込み口５（図１）からの酸化剤ガスがチャンバ２４に流入する。次に、チャンバ２４の容積が減少する方向にダイヤフラム１３が移動すると、チャンバ２４の圧力が増加して、酸化剤ガスが燃料電池７（図１）に吐出される。
【００４９】
このダイヤフラム１３が往復移動する回数は、印加交流電圧の周波数に依存する。印加交流電圧の周波数が高くなるほど、単位時間当たりにダイヤフラム１３が往復移動する回数が増加する。また、ダイヤフラム１３が移動する距離（振幅）は、印加交流電圧の電圧に依存する。印加交流電圧の電圧が大きくなるほど、ダイヤフラム１３が移動する距離は長くなる。このため、吐出される酸化剤ガスの流量は、印加交流電圧の電圧および周波数に依存する。
【００５０】
ただし、ゴムで形成されているダイヤフラム１３はその弾性によって変形する。このため、ダイヤフラム１３の弾性が大きい間は、チャンバ２４の容積変化はダイヤフラム１３の移動に伴うチャンバ２４の容積変化より大きい。このため、吐出される酸化剤ガスの量が多い。これに対し、ゴムが硬化し、ダイヤフラム１３の弾性が小さくなると、ダイヤフラム１３の変形量は小さくなって、吐出される酸化剤ガスの量が少なくなっていく。したがって、吐出される酸化剤ガスの流量は、印加交流電圧の電圧および周波数に加えて、ダイヤフラム１３の弾性にも依存する。
【００５１】
［燃料電池システムにおける制御］
図３は、燃料電池システム１における制御器２０による反応ガスの供給制御の一例を示すフローチャートである。図４は、燃料電池システム１の運転時間と印加交流電圧の電圧との関係の一例を模式的に示すグラフである。図５は、印加交流電圧の電圧と周波数との関係を示すグラフである。実線(i)は、運転時間０万時間における、印加交流電圧の電圧と周波数との関係を示す。実線(ii)は、運転時間８万時間における、印加交流電圧の電圧と周波数との関係を示す。実線(iii)は、運転時間９万時間における、印加交流電圧の電圧と周波数との関係を示す。
【００５２】
＜電磁式ダイヤフラムポンプの動作特性＞
まず、電磁式ダイヤフラムポンプ８の動作特性を説明する。図５に示すように、所定流量（たとえば５０ＮＬ／ｍｉｎ）のガス（ここでは酸化剤ガス）を吐出するために必要な電磁式ダイヤフラムポンプ８の印加交流電圧の電圧は、印加交流電圧の周波数に依存して変化する。以下、印加交流電圧の周波数の変化に対する印加交流電圧の電圧の変化曲線を「電圧−周波数曲線」という。この電圧−周波数曲線では、印加交流電圧の電圧は、印加交流電圧の周波数がダイヤフラム１３の共振周波数に一致する場合に最小となる。また、ダイヤフラム１３の硬化が進行するに連れてダイヤフラム１３の共振周波数と共振周波数に一致する周波数おける印加交流電圧の電圧とが高くなる。このため、電圧−周波数曲線は燃料電池システム１の運転時間（累積運転時間）が長くなるに連れて、印加交流電圧の電圧が最小となる電圧および周波数が共に増大するように遷移する。図５に示す例では、印加交流電圧の電圧が最小となる電圧および周波数は、初期（運転時間０万時間）では、それぞれ、１２Ｖおよび４５Ｈｚであり、運転時間８万時間では、それぞれ、１４．３Ｖおよび５０Ｈｚであり、運転時間９万時間では、それぞれ、１４．６Ｖおよび６０Ｈｚである。
【００５３】
＜電磁式ダイヤフラムポンプの動作特性の経年変化＞
次に、電磁式ダイヤフラムポンプ８の動作特性の経年変化を説明する。後述するように、本実施の形態では、ある時点において、印加交流電圧の周波数をその時点における印加交流電圧の電圧が最小となる周波数（ダイヤフラム１３の共振周波数に一致する周波数）に設定する。当該設定した周波数において、印加交流電圧の電圧を制御して酸化剤ガスの流量を目標流量となるように制御する。そうすると、上述の説明から明らかなように、燃料電池システム１の運転時間が長くなるに連れて、設定した周波数がダイヤフラム１３の時々刻々遷移する。印加交流電圧の電圧が最小となる周波数からずれるとともに、電圧−周波数曲線が印加交流電圧の電圧が最小となる電圧および周波数が共に増大するように遷移する。このため、所定流量（たとえば５０ＮＬ／ｍｉｎ）の酸化剤ガスを吐出するために必要な印加交流電圧の電圧が増大する。図４および図５に示す例では、初期（運転時間０万時間）において、印加交流電圧の周波数は、その時点における印加交流電圧の電圧が最小となる周波数である４５Ｈｚに設定される。そして、所定流量（たとえば５０ＮＬ／ｍｉｎ）の酸化剤ガスを吐出するために必要な印加交流電圧の電圧は初期において１２Ｖであるが、運転時間８万時間ではそれが１５Ｖに増大する。
【００５４】
＜酸化剤ガスの供給制御＞
次に、酸化剤ガスの供給制御を説明する。制御器２０は、印加交流電圧の周波数を設定し、当該設定された周波数において印加交流電圧の電圧を制御する。そして、制御器２０は、流量検出器９により検出されるガスの流量を目標流量となるように制御する。また、制御器２０は、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、印加交流電圧の電圧が所定の電圧より小さくなる周波数に印加交流電圧の周波数を設定し直す。このとき、制御器２０は、所定の周波数範囲内で印加交流電圧の周波数を変化させながら、各周波数毎に所定の流量となる印加交流電圧の電圧を取得する。そして、制御器２０は、当該取得した電圧のうちの最小電圧に対応する周波数に印加交流電圧の周波数を設定し直す。
【００５５】
図３を参照すると、具体的には、制御器２０は、まず、燃料電池システム１を定格運転する。すなわち、制御器２０において、印加交流電圧の周波数が初期値として、たとえば、４５Ｈｚに設定されている。この周波数４５Ｈｚは、図５に示されている電圧−周波数曲線(i)において、所定の流量（たとえば５０ＮＬ／ｍｉｎ）の酸化剤ガスを供給するための印加交流電圧の電圧が最小になるときの周波数である。
【００５６】
制御器２０は、酸化剤ガスの流量検出器９により検出された流量を取得し（ステップＳ１）、取得した流量が目標流量になるように印加交流電圧の電圧を制御する（ステップＳ２でＮＯ、Ｓ３、Ｓ１）。
【００５７】
取得した流量が目標流量になると（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御器２０は印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上であるか否か判定する（ステップＳ４）。所定の電圧は、図４に示すように、たとえば、１５Ｖに設定される。この所定の電圧は、電磁式ダイヤフラムポンプ８に印加可能な最大電圧（たとえば１６Ｖ）より低い電圧に設定される。
【００５８】
制御器２０は、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上でないと判定すると（ステップＳ４でＮＯ）、ステップＳ１〜Ｓ４を繰り返す。
【００５９】
このようにして、制御器２０は燃料電池システム１を定格運転する。
【００６０】
そして、時間が経過して燃料電池システム１の運転時間が増大すると、やがて、ステップＳ４において、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になる。図４に示す例では、運転時間８万時間において、印加交流電圧の電圧が所定の電圧である１５Ｖ（この時の流量は５０ＮＬ／ｍｉｎである）になる。
【００６１】
すると、制御器２０は、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上であると判定し（ステップＳ４でＹＥＳ）、印加交流電圧の周波数を設定し直す（ステップＳ５〜Ｓ１３）。
【００６２】
具体的には、制御器２０は、設定周波数４５Ｈｚから所定の間隔、たとえば、１Ｈｚで、印加交流電圧の周波数を上昇する (ステップＳ５)。そして、制御器２０は、この上昇した周波数において、酸化剤ガスの流量が所定の流量（適宜な他の一定流量でもよい）になるように印加交流電圧の電圧を制御し、この電圧および周波数を記憶する(ステップＳ６)。そして、周波数が第１周波数（たとえば、５５Ｈｚ）以上にならない限り（ステップＳ７でＮＯ）、制御器２０は、各周波数毎に上記電圧制御を行いながら周波数を上昇していき、各周波数とこれ対応する電圧とを記憶する(ステップＳ５、Ｓ６)。なお、印加交流電圧の電圧が所定の電圧を超えそう場合には、電圧が所定の電圧を超えないように流量を制限して印加交流電圧の電圧が制御される。この第１周波数は、予め定められた周波数であって、たとえば、６５Ｈｚである。
【００６３】
そして、印加交流電圧の周波数が第１周波数に達すると(ステップＳ７でＹＥＳ)、制御器２０は、設定周波数４５Ｈｚから所定の間隔、たとえば、１Ｈｚで、印加交流電圧の周波数を減少する(ステップＳ８)。そして、制御器２０は、この減少した周波数において、酸化剤ガスの検出流量が所定の流量（適宜な他の一定流量でもよい）になるように印加交流電圧の電圧を制御し、この電圧および周波数を記憶する(ステップＳ９)。そして、周波数が第２周波数（たとえば、４５Ｈｚ）以下にならない限り（ステップＳ１０でＮＯ）、制御器２０は、各周波数毎に上記電圧制御を行いながら周波数を減少していき、各周波数とこれ対応する電圧とを記憶する(ステップＳ８、Ｓ９)。なお、印加交流電圧の電圧が所定の電圧を超そうな場合には、電圧が所定の電圧を超えないように流量を制限して印加交流電圧の電圧が制御される。この場合、第２周波数は、予め定められた周波数であって、たとえば、４０Ｈｚに設定される。
【００６４】
そして、印加交流電圧の周波数が第２周波数に達すると(ステップＳ１０でＹＥＳ)、制御器２０は、印加交流電圧の電圧と周波数との関係に基づいて、電圧が最も小さくなるときの周波数に周波数を設定し直す(ステップＳ１１)。図５に示す例では、電圧−周波数曲線(ii)において、電圧が最小となる周波数５０Ｈｚである。これにより、酸化剤ガスの検出流量を所定の流量（たとえば５０ＮＬ／ｍｉｎ）に制御するための電圧が小さくなる。図４および図５に示す例では、図５の電圧−周波数曲線(ii)における１４．３Ｖになる。
【００６５】
次に、制御器２０は、酸化剤ガスの検出流量が所定の流量（たとえば５０ＮＬ／ｍｉｎ）になるように印加交流電圧の電圧を制御し（ステップＳ１２）、この制御した電圧が所定の電圧以上であるか否か判定する（ステップＳ１３）。
【００６６】
制御器２０は、当該制御した電圧が所定の電圧以上であると判定すると（ステップＳ１３でＹＥＳ）、運転を停止する（ステップＳ１４）。これにより、最大電圧が電磁式ダイヤフラムポンプに印加されて電磁式ダイヤフラムが停止するなどのトラブルが回避される。その後、制御器２０は本制御を終了する。
【００６７】
一方、ここでは、上述のように、当該制御した電圧が１４．３Ｖになるので、制御器２０は、当該制御した電圧が所定の電圧以上ではないと判定し（ステップＳ１３でＮＯ）、ステップＳ１に戻る。
【００６８】
そして、制御器２０は、上述のように、設定し直した周波数５０Ｈｚで、燃料電池システム１を定格運転する（ステップＳ１〜Ｓ４でＮＯ）。
【００６９】
図４および図５の例では、その後、燃料電池システム１の運転時間が９万時間になると、印加交流電圧の電圧が所定の電圧になり（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御器２０は、設定周波数を設定し直す（ステップＳ４でＹＥＳ、Ｓ５〜Ｓ１３）。ここでは、周波数は６０Ｈｚに設定し直され、酸化剤ガスの検出流量を所定の流量になるように制御するための印加交流電圧の電圧は１４．６Ｖになる。
【００７０】
その後、制御器２０は、設定し直した周波数６０Ｈｚで、燃料電池システム１を定格運転する（ステップＳ１〜Ｓ４でＮＯ）。
【００７１】
［作用、効果］
本実施の形態の燃料電池システム１によれば、電磁式ダイヤフラムポンプ８の運転時間の増加や低温環境などにより、ダイヤフラム１３が硬化しても、印加交流電圧の電圧が所定の電圧になると、電圧が小さくなる周波数に印加交流電圧の周波数が設定し直される。このように電圧が小さくなることにより、ダイヤフラム１３の移動距離が短くなり、ダイヤフラム１３の１往復当たりの荷重が小さくなる。このため、電磁式ダイヤフラムポンプ８の消費電力が抑制され、燃料電池システム１の発電効率の低下が抑えられる。その一方、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になる場合、電磁式ダイヤフラムポンプ８の共振周波数が高くなるっているので、印加交流電圧の周波数はより高い周波数に設定し直される。よって、電磁式ダイヤフラムポンプ８の吐出量の低下を防止することができる。
【００７２】
具体的には、図６は、電磁式ダイヤフラムポンプ８の消費電力（Ｗ）と運転時間（万時間）との関係を示すグラフである。図４および図６に示すように、電磁式ダイヤフラムポンプ８の消費電力は、燃料電池システム１の運転時間が増大するに連れて印加交流電圧の電圧にほぼ比例して増大する。そして、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になると、この電圧が小さくなる周波数に印加交流電圧の周波数が設定し直される。よって、電磁式ダイヤフラムポンプ８の消費電力が低く抑えられ、ひいては、燃料電池システム１の発電効率の低下が抑制される。
【００７３】
さらに、印加交流電圧の電圧が小さくなり、ダイヤフラム１３の移動距離が短くなっても、設定し直される周波数が上昇することにより、ダイヤフラム１３の往復運動回数が増える。このため、電磁式ダイヤフラムポンプ８からの吐出流量の低下が防止される。
【００７４】
また、設定し直された印加交流電圧の周波数が共振周波数に一致するため、より好適に燃料電池システム１の発電効率の低下が抑えられる。
【００７５】
さらに、図７は、印加交流電圧の周波数と燃料電池システム１の騒音との関係を示すグラフである。印加交流電圧の周波数が低いほど、燃料電池システム１の騒音が小さくなっている。また、図４に示すように、初期に設定される周波数の燃料電池システム１の運転期間は、次に設定し直される周波数の運転期間より長い。このため、運転期間が長い初期に設定される周波数を低くし、その後、設定し直される周波数が大きくなるようにすることにより、燃料電池システム１の運転時間の全体を通して騒音を抑えることができる。
【００７６】
また、電磁式ダイヤフラムポンプ８の最大電圧以下の電圧に所定の電圧が規定されている。これにより、最大電圧が電磁式ダイヤフラムポンプ８に印加されて電磁式ダイヤフラム８が停止するなどのトラブルが回避される。
【００７７】
なお、上記実施の形態１では、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったときに設定し直される印加交流電圧の周波数は、ダイヤフラム１３の共振周波数であった。ただし、設定し直される周波数は、印加交流電圧の電圧が所定の電圧より小さくなる周波数であれば、これに限らない。
【００７８】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池システム１では、制御器２０は、設定すべき順に高くなる複数の運転周波数を予め記憶している。この制御器２０は、印加交流電圧の周波数をいずれかの運転周波数に設定して、ガスの流量を制御する。そして、制御器２０は、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、設定すべき順における次の運転周波数に印加交流電圧の周波数を設定し直す。これ以外の構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１と同様である。記憶されている運転周波数は、たとえば、電磁式ダイヤフラムポンプ８のダイヤフラム１３の共振周波数に一致する（対応する）周波数などである。以下、具体的に酸化剤ガスの供給制御を説明する。
【００７９】
図８は、実施の形態２に係る燃料電池システム１における制御器２０による酸化剤ガスの供給制御の一例を示すフローチャートである。
【００８０】
制御器２０は、図５の電圧−周波数曲線(i)〜(iii)における印加交流電圧の電圧が最小になる周波数４５Ｈｚ、５０Ｈｚ、６０Ｈｚを、それぞれ、設定すべき順が１〜３番目である運転周波数として予め記憶している。
【００８１】
図８を参照すると、制御器２０は、まず、印加交流電圧の周波数を、設定すべき順が１番目である４５Ｈｚの運転周波数に設定する。そして、制御器２０は、酸化剤ガスの流量検出器９により検出された流量を取得し（ステップＳ２１）、取得した流量が目標流量になるように印加交流電圧の電圧を制御する（ステップＳ２２でＮＯ、Ｓ２３、Ｓ２１）。
【００８２】
取得した流量が目標流量になると（ステップＳ２２でＹＥＳ）、制御器２０は印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上であるか否か判定する（ステップＳ２４）。
【００８３】
制御器２０は、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上でないと判定すると（ステップＳ２４でＮＯ）、ステップＳ２１〜Ｓ２４を繰り返す。
【００８４】
このようにして、制御器２０は燃料電池システム１を定格運転する。
【００８５】
そして、時間が経過して燃料電池システム１の運転時間が増大すると、やがて、ステップＳ２４において、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になる。図４に示す例では、運転時間８万時間において、印加交流電圧の電圧が所定の電圧である１２Ｖになる。
【００８６】
すると、制御器２０は、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上であると判定し（ステップＳ２４でＹＥＳ）、印加交流電圧の周波数を次の運転周波数（設定すべき順が２番目である運転周波数）である５０Ｈｚに設定する（ステップＳ２５）。
【００８７】
次に、制御器２０は、酸化剤ガスの検出流量が所定の流量（たとえば５０ＮＬ／ｍｉｎ）になるように印加交流電圧の電圧を制御し（ステップＳ２６）、この制御した電圧が所定の電圧以上であるか否か判定する（ステップＳ２７）。
【００８８】
制御器２０は、当該制御した電圧が所定の電圧以上であると判定すると（ステップＳ２７でＹＥＳ）、運転を停止し（ステップＳ２８）、本制御を終了する。
【００８９】
一方、ここでは、既述のように、当該制御した電圧が１４．３Ｖになるので、制御器２０は、当該制御した電圧が所定の電圧以上ではないと判定し（ステップＳ２７でＮＯ）、ステップＳ２１に戻る。
【００９０】
そして、制御器２０は、上述のように、設定し直した運転周波数５０Ｈｚで、燃料電池システム１を定格運転する（ステップＳ２１〜Ｓ２４でＮＯ）。
【００９１】
図４および図５の例では、その後、燃料電池システム１の運転時間が９万時間になると、印加交流電圧の電圧が所定の電圧になり、制御器２０は、設定周波数を次の運転周波数（設定すべき順が３番目である運転周波数）である６０Ｈｚに設定する（ステップＳ２４でＹＥＳ、Ｓ２５〜Ｓ２７）。この際、酸化剤ガスの検出流量を所定の流量になるように制御するための印加交流電圧の電圧は１４．６Ｖになる。
【００９２】
その後、制御器２０は、設定し直した運転周波数６０Ｈｚで、燃料電池システム１を定格運転する（ステップＳ２１〜Ｓ２４でＮＯ）。
【００９３】
上記構成の燃料電池システム1によれば、印加交流電圧の電圧が所定の電圧以上になったとき、印加交流電圧の電圧が所定の電圧より小さくなる運転周波数に印加交流電圧の周波数が設定し直される。この周波数は、予め記憶されている運転周波数であるため、簡単な構成で、印加交流電圧の電圧が小さくなって、発電効率の低下が抑制される。
【００９４】
また、予め記憶されている周波数は、設定すべき順に高くなる複数の運転周波数である。このため、運転周波数が高くなるように印加交流電圧の周波数が設定し直され、電磁式ダイヤフラムポンプ８の吐出量の低下を防止することができる。
【００９５】
なお、上記実施の形態２では、予め記憶した運転周波数は、印加交流電圧の電圧が最小になる周波数、たとえば、ダイヤフラム１３の共振周波数であった。ただし、設定し直される周波数は、印加交流電圧の電圧が所定の電圧より小さくなる周波数であれば、これに限らない。
【００９６】
（実施の形態３）
上記実施の形態１および２に係る燃料電池システム１では、酸化剤ガスの供給に電磁式ダイヤフラムポンプ８が用いられた。これに対し、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１では、燃料を水素生成装置１７に供給する燃料昇圧ブロワ１８に代わりに、電磁式ダイヤフラムポンプが用いられる。これ以外の構成は、実施の形態１および２に係る燃料電池システム１と同様である。
【００９７】
この場合、電磁式ダイヤフラムポンプによって、燃料ガスが改質された水素含有ガスが、水素生成装置１７から燃料電池７のアノード極１５へ供給される。
【００９８】
また、燃料昇圧ブロワ１８に代わりに電磁式ダイヤフラムポンプを用いるとともに、酸化剤ガス供給器を電磁式ダイヤフラムポンプを通常のブロワで構成してもよい。
【００９９】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給部に電磁式ダイヤフラムポンプを用いた燃料電池システムにおいて、低温環境下および長期間の使用における発電効率の低下を抑制できる燃料電池システム等として有用である。
【符号の説明】
【０１０１】
１  燃料電池システム
７  燃料電池
８  電磁式ダイヤフラムポンプ
９  流量検出器
２０  制御器
【図１】
2013021547.tif 000003
【図２】
2013021547.tif 000004
【図３】
2013021547.tif 000005
【図４】
2013021547.tif 000006
【図５】
2013021547.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013021547.tif 000009
【図８】
2013021547.tif 000010
【国際調査報告】
2013021547.tif 000011
2013021547.tif 000012
2013021547.tif 000013
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