(57)【要約】【課題】簡単、コンパクト且つ安価な構成で、脈動を良好に抑制することを可能にする。【解決手段】水ポンプシステム１０は、第１ポンプ室４２ａと第２ポンプ室４２ｂとに共通のプランジャ４４が配置される水ポンプ４６と、前記第１ポンプ室４２ａの上流及び下流に配置される第１吸入側バルブ５４ａ及び第１吐出側バルブ５６ａと、前記第２ポンプ室４２ｂの上流及び下流に配置される第２吸入側バルブ５４ｂ及び第２吐出側バルブ５６ｂと、制御装置２０とを備える。水ポンプ４６は、プランジャ４４の両端に、前記プランジャ４４の往復方向にかかる荷重の大きさにより伸縮する第１及び第２緩衝部６２ａ、６２ｂが設けられるとともに、前記第１及び第２緩衝部６２ａ、６２ｂは、延び側の減衰力と縮み側の減衰力とが異なるように設定される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ポンプ室と第２ポンプ室とに共通のプランジャの両端が配置され、前記プランジャが往復動作することにより、前記第１ポンプ室における流体の吸入工程と前記第２ポンプ室における前記流体の吸入工程とが、及び前記第１ポンプ室における前記流体の吐出工程と前記第２ポンプ室における前記流体の吐出工程とが、それぞれ交互に行われる流体ポンプと、
前記第１ポンプ室の上流に配置され、前記第１ポンプ室への前記流体の吸入を調節する第１吸入調節部と、
前記第１ポンプ室の下流に配置され、前記第１ポンプ室からの前記流体の吐出を調節する第１吐出調節部と、
前記第２ポンプ室の上流に配置され、前記第２ポンプ室への前記流体の吸入を調節する第２吸入調節部と、
前記第２ポンプ室の下流に配置され、前記第２ポンプ室からの前記流体の吐出を調節する第２吐出調節部と、
前記プランジャ、前記第１吸入調節部、前記第１吐出調節部、前記第２吸入調節部及び前記第２吐出調節部を制御する制御部と、
を備え、
前記流体ポンプは、前記プランジャの両端に、該プランジャの往復方向にかかる荷重の大きさにより伸縮する緩衝部が設けられるとともに、
前記緩衝部は、延び側の減衰力と縮み側の減衰力とが異なるように設定されることを特徴とする流体ポンプシステム。
【請求項２】
請求項１記載の流体ポンプシステムにおいて、前記緩衝部は、前記延び側の減衰力が前記縮み側の減衰力よりも小さくなるように設定されることを特徴とする流体ポンプシステム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の流体ポンプシステムにおいて、前記制御部は、前記第１ポンプ室における前記流体の吐出工程と前記第２ポンプ室における前記流体の吐出工程とを、部分的に重複させることを特徴とする流体ポンプシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体ポンプシステムにおいて、前記制御部は、前記第１ポンプ室における前記流体の吸入工程と前記第２ポンプ室における前記流体の吸入工程とを、重複させないことを特徴とする流体ポンプシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体ポンプシステムにおいて、前記流体は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールに供給される水であることを特徴とする流体ポンプシステム。
【請求項６】
請求項５記載の流体ポンプシステムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする流体ポンプシステム。
【請求項７】
第１ポンプ室と第２ポンプ室とに共通のプランジャの両端が配置され、前記プランジャが往復動作するとともに、前記プランジャの両端に、該プランジャの往復方向にかかる荷重の大きさにより伸縮する緩衝部が設けられ、前記緩衝部は、延び側の減衰力と縮み側の減衰力とが異なるように設定される流体ポンプと、
前記第１ポンプ室の上流に配置され、前記第１ポンプ室への前記流体の吸入を調節する第１吸入調節部と、
前記第１ポンプ室の下流に配置され、前記第１ポンプ室からの前記流体の吐出を調節する第１吐出調節部と、
前記第２ポンプ室の上流に配置され、前記第２ポンプ室への前記流体の吸入を調節する第２吸入調節部と、
前記第２ポンプ室の下流に配置され、前記第２ポンプ室からの前記流体の吐出を調節する第２吐出調節部と、
を備える流体ポンプシステムの運転方法であって、
前記第１吸入調節部及び前記第２吐出調節部を閉塞する一方、前記第１吐出調節部及び前記第２吸入調節部を開放するとともに、前記プランジャを前記第１ポンプ室に向かって移動させることにより、前記第１ポンプ室から前記流体を吐出させ且つ前記第２ポンプ室に前記流体を吸入させる工程と、
前記プランジャの移動方向を前記第２ポンプ室に向かう方向に変更させる工程と、
前記プランジャが前記第２ポンプ室に向かって移動しながら、前記第２吸入調節部を閉塞させ且つ前記第２吐出調節部を開放させた後、前記第１吸入調節部を開放させ且つ前記第１吐出調節部を閉塞させる工程と、
を有することを特徴とする流体ポンプシステムの運転方法。
【請求項８】
請求項７記載の運転方法において、前記プランジャの移動方向を前記第１ポンプ室に向かう方向に変更させる工程と、
前記プランジャが前記第１ポンプ室に向かって移動しながら、前記第１吸入調節部を閉塞させ且つ前記第１吐出調節部を開放させた後、前記第２吸入調節部を開放させ且つ前記第２吐出調節部を閉塞させる工程と、
を有することを特徴とする流体ポンプシステムの運転方法。
【請求項９】
請求項７又は８記載の運転方法において、前記緩衝部は、前記延び側の減衰力が前記縮み側の減衰力よりも小さくなるように設定されることを特徴とする流体ポンプシステムの運転方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の運転方法において、前記流体は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールに供給される水であることを特徴とする流体ポンプシステムの運転方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の運転方法において、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする流体ポンプシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に脈動を抑制して流体を供給するための流体ポンプシステム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、プランジャを使用した水ポンプが、水供給装置として種々のシステムに採用されている。例えば、水蒸気改質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムに用いられている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池システムでは、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに、例えば、水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００５】
上記の水蒸気改質では、改質反応に使用される水蒸気量に対応した水を補給する必要がある。例えば、特許文献１に開示されている動力回収形ポンプは、図９に示すように、一対のポンプ室１ａ、２ａに対して共通のプランジャ３ａが往復動作することにより、各ポンプ室１ａ、２ａにおいて、吸込工程と吐出工程のポンプ動作を同時に且つ交互に行うよう構成した往復動複式ポンプ４ａから構成されている。
【０００６】
一方のポンプ室１ａには、吸込弁Ｖ１及び吐出弁Ｖ２を介して原水供給系５ａが接続されるとともに、前記原水供給系５ａが分離手段６ａに接続されている。分離手段６ａは、未分離原水排出系７ａを介して他方のポンプ室２ａに対し、吸込弁Ｖ３及び吐出弁Ｖ４を介して連通接続している。
【０００７】
そして、一方のポンプ室１ａの原水吐出工程において、未分離原水排出系７ａを介して未分離原水のエネルギーを他方のポンプ室２ａに導入し、プランジャ３ａの動作に利用することにより、動力を回収するように構成している。
【０００８】
特許文献２に開示されている無脈動ポンプは、図１０に示すように、通常のスライダクランク機構を有する３個のプランジャポンプ１ｂが並列に配置されて、３連ポンプ２ｂが形成されている。３連ポンプ２ｂの下流には、調整ポンプ３ｂが配置されるとともに、前記調整ポンプ３ｂは、カム４ｂを介して駆動されている。
【０００９】
カム４ｂのプロフィールは、３連ポンプ２ｂの吐出流量の脈動成分を打ち消すように調整ポンプ３ｂのプランジャピストン５ｂを制御している。プランジャピストン５ｂには、アキュームレータ６ｂにより排圧が付与されており、この排圧による力は、前記プランジャピストン５ｂに、取り扱い流体の圧力により作用する力と、略釣り合うようになっている。
【００１０】
特許文献３に開示されている低脈動液圧増圧機は、図１１に示すように、プランジャ１ｃを有するとともに、液圧出力回路を互いに接続された複数本のプランジャシリンダ２ｃを備えている。各プランジャシリンダ２ｃのプランジャ１ｃには、それぞれピストンロッド３ｃが結合されており、前記ピストンロッド３ｃの前進移動によって前記プランジャ１ｃが押される一方、前記ピストンロッド３ｃの後退移動によって前記プランジャ１ｃが引かれている。ピストンロッド３ｃの上記動作は、複数の液圧シリンダ４ｃにより行われている。
【００１１】
さらに、制御装置５ｃは、複数本の液圧シリンダ４ｃの順次の２本ずつの組の一方の液圧シリンダ４ｃのピストンロッド３ｃの前進移動終了直前と、他方の液圧シリンダ４ｃのピストンロッド３ｃの前進移動開始直後とが、互いに重なるタイミングで、複数本の前記液圧シリンダ４ｃのそれぞれのピストンロッド３ｃの前進移動及び後退移動を繰り返させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平８−２９６５５０号公報
【特許文献２】特開２００１−２７１７３９号公報
【特許文献３】特開２００４−０６８８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記の特許文献１では、一対のポンプ室１ａ、２ａに対して、共通のプランジャ３ａを往復動作させることにより、各ポンプ室１ａ、２ａにおいて、吸込工程と吐出工程のポンプ動作を同時に且つ交互に行うものであり、脈動を抑制することはできない。
【００１４】
また、上記の特許文献２では、３個のプランジャポンプ１ｂを備えるとともに、調整ポンプ３ｂ、カム４ｂ及びアキュームレータ６ｂ等が必要となっている。このため、システム全体が大型化するとともに、部品点数が増大し、構成が複雑化してコストが高騰するという問題がある。
【００１５】
さらに、上記の特許文献３では、複数のプランジャシリンダ２ｃ及び複数の液圧シリンダ４ｃが必要になるとともに、制御装置５ｃが用いられている。これにより、システム全体が大型化するとともに、部品点数が増大し、構成が複雑化して製造コストが高騰するという問題がある。
【００１６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単、コンパクト且つ安価な構成で、脈動を良好に抑制することが可能な流体ポンプシステム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る流体ポンプシステムは、第１ポンプ室と第２ポンプ室とに共通のプランジャの両端が配置され、前記プランジャが往復動作することにより、前記第１ポンプ室における流体の吸入工程と前記第２ポンプ室における前記流体の吸入工程とが、及び前記第１ポンプ室における前記流体の吐出工程と前記第２ポンプ室における前記流体の吐出工程とが、それぞれ交互に行われる流体ポンプを備えている。
【００１８】
この流体ポンプシステムは、第１ポンプ室の上流に配置され、前記第１ポンプ室への流体の吸入を調節する第１吸入調節部と、前記第１ポンプ室の下流に配置され、前記第１ポンプ室からの前記流体の吐出を調節する第１吐出調節部と、第２ポンプ室の上流に配置され、前記第２ポンプ室への前記流体の吸入を調節する第２吸入調節部と、前記第２ポンプ室の下流に配置され、前記第２ポンプ室からの前記流体の吐出を調節する第２吐出調節部と、プランジャ、前記第１吸入調節部、前記第１吐出調節部、前記第２吸入調節部及び前記第２吐出調節部を制御する制御部とを備えている。
【００１９】
そして、流体ポンプは、プランジャの両端に、前記プランジャの往復方向にかかる荷重の大きさにより伸縮する緩衝部が設けられるとともに、前記緩衝部は、延び側の減衰力と縮み側の減衰力とが異なるように設定されている。
【００２０】
また、緩衝部は、延び側の減衰力が縮み側の減衰力よりも小さくなるように設定されることが好ましい。このため、プランジャが、例えば、第１ポンプ室側から第２ポンプ室側に移動方向を変更させる際、緩衝部により前記第１ポンプ室の吐出工程が継続される一方、前記第２ポンプ室の吐出工程が開始される。従って、第１ポンプ室の吐出工程の一部が、第２ポンプ室の吐出工程に重複されるため、流体の吐出が途切れることがない。これにより、流体の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００２１】
さらに、制御部は、第１ポンプ室における流体の吐出工程と第２ポンプ室における前記流体の吐出工程とを、部分的に重複させることが好ましい。このため、流体の吐出が途切れることがなく、前記流体の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００２２】
さらにまた、制御部は、第１ポンプ室における流体の吸入工程と第２ポンプ室における前記流体の吸入工程とを、重複させないことが好ましい。従って、第１ポンプ室の吐出工程の一部を、第２ポンプ室の吐出工程に重複させることができる。これにより、流体の吐出が途切れることがなく、前記流体の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００２３】
また、流体は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールに供給される水であることが好ましい。このため、特に固体高分子形燃料電池に適用した際、水の吐出が途切れることがなく、且つ前記水の吐出が安定する。従って、脈動が良好に抑制されるとともに、加湿不足（ドライアウト）が抑制されて、燃料電池の性能の安定化及び耐久性の向上が容易に図られる。
【００２４】
さらに、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。これにより、特に水蒸気改質を用いる固体酸化物形燃料電池モジュールでは、水の吐出が途切れることがなく、且つ前記水の吐出が安定するため、コーキング（炭素析出）が抑制されて燃料電池の性能の安定化及び耐久性の向上が容易に図られる。
【００２５】
さらにまた、本発明は、第１ポンプ室と第２ポンプ室とに共通のプランジャの両端が配置され、前記プランジャが往復動作するとともに、前記プランジャの両端に、該プランジャの往復方向にかかる荷重の大きさにより伸縮する緩衝部が設けられ、前記緩衝部は、延び側の減衰力と縮み側の減衰力とが異なるように設定される流体ポンプと、前記第１ポンプ室の上流に配置され、前記第１ポンプ室への前記流体の吸入を調節する第１吸入調節部と、前記第１ポンプ室の下流に配置され、前記第１ポンプ室からの前記流体の吐出を調節する第１吐出調節部と、前記第２ポンプ室の上流に配置され、前記第２ポンプ室への前記流体の吸入を調節する第２吸入調節部と、前記第２ポンプ室の下流に配置され、前記第２ポンプ室からの前記流体の吐出を調節する第２吐出調節部とを備える流体ポンプシステムの運転方法に関するものである。
【００２６】
この運転方法は、第１吸入調節部及び第２吐出調節部を閉塞する一方、第１吐出調節部及び第２吸入調節部を開放するとともに、プランジャを第１ポンプ室に向かって移動させることにより、前記第１ポンプ室から流体を吐出させ且つ第２ポンプ室に前記流体を吸入させる工程と、前記プランジャの移動方向を前記第２ポンプ室に向かう方向に変更させる工程と、前記プランジャが前記第２ポンプ室に向かって移動しながら、前記第２吸入調節部を閉塞させ且つ前記第２吐出調節部を開放させた後、前記第１吸入調節部を開放させ且つ前記第１吐出調節部を閉塞させる工程とを有している。
【００２７】
また、この運転方法は、プランジャの移動方向を第１ポンプ室に向かう方向に変更させる工程と、前記プランジャが前記第１ポンプ室に向かって移動しながら、第１吸入調節部を閉塞させ且つ第１吐出調節部を開放させた後、第２吸入調節部を開放させ且つ第２吐出調節部を閉塞させる工程とを有することが好ましい。
【００２８】
従って、第１及び第２吐出調節部が同時に開放される期間が存在するため、緩衝部により第２ポンプ室の吐出工程が継続される一方、第１ポンプ室の吐出工程が開始される。これにより、第２ポンプ室の吐出工程の一部が、第１ポンプ室の吐出工程に重複されるため、流体の吐出が途切れることがなく、前記流体の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００２９】
さらに、緩衝部は、延び側の減衰力が縮み側の減衰力よりも小さくなるように設定されることが好ましい。このため、プランジャが、第１ポンプ室側から第２ポンプ室側に、及び前記第２ポンプ室から前記第１ポンプ室側に移動方向を変更させる際、緩衝部により吐出工程が継続される。従って、第１及び第２ポンプ室では、一方の吐出工程の一部が、他方の吐出工程に重複されるため、流体の吐出が途切れることがない。これにより、流体の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００３０】
さらにまた、流体は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールに供給される水であることが好ましい。このため、特に固体高分子形燃料電池に適用した際、水の吐出が途切れることがなく、且つ前記水の吐出が安定する。従って、脈動が良好に抑制されるとともに、加湿不足（ドライアウト）が抑制されて燃料電池の性能の安定化及び耐久性の向上が容易に図られる。
【００３１】
また、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。これにより、特に水蒸気改質を用いる固体酸化物形燃料電池モジュールでは、水の吐出が途切れることがなく、且つ前記水の吐出が安定するため、コーキング（炭素析出）が抑制されて燃料電池の性能の安定化及び耐久性の向上が容易に図られる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、第１ポンプ室と第２ポンプ室とに配置される単一のプランジャを備えている。このため、流体ポンプシステム全体の構成が簡単且つ安価になるとともに、小型化が容易に図られる。
【００３３】
しかも、プランジャの両端には、前記プランジャの往復方向にかかる荷重の大きさにより伸縮する緩衝部が設けられるとともに、前記緩衝部は、延び側の減衰力と縮み側の減衰力とが異なるように設定されている。
【００３４】
従って、プランジャが、第１ポンプ室側から第２ポンプ室側に、及び前記第２ポンプ室から前記第１ポンプ室側に移動方向を変更させる際、緩衝部により吐出工程が継続されている。これにより、第１及び第２ポンプ室では、一方の吐出工程の一部が、他方の吐出工程に重複されるため、流体の吐出が途切れることがない。このため、流体の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００３５】
さらに、本発明によれば、第１及び第２吐出調節部が同時に開放される期間が存在するため、緩衝部により第１ポンプ室の吐出工程が継続される一方、第２ポンプ室の吐出工程が開始される。これにより、第１ポンプ室の吐出工程の一部が、第２ポンプ室の吐出工程に重複されるため、流体の吐出が途切れることがなく、前記流体の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の水ポンプシステムを組み込む第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記水ポンプシステムの概略構成説明図である。
【図３】前記水ポンプシステムの運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図４】前記水ポンプシステムの動作説明図である。
【図５】前記水ポンプシステムの動作説明図である。
【図６】前記水ポンプシステムの動作説明図である。
【図７】前記水ポンプシステムの動作説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図９】特許文献１の動力回収形ポンプの説明図である。
【図１０】特許文献２の無脈動ポンプの説明図である。
【図１１】特許文献３の低脈動液圧増圧器の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の水ポンプシステム（流体ポンプシステム）１０を組み込む第１の実施形態に係る燃料電池システム１２は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００３８】
燃料電池システム１２は、図１に概略的に示すように、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１４と、前記燃料電池モジュール１４に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１４に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアブロア、エアポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１４に水を供給する水供給装置である水ポンプシステム１０と、前記燃料電池モジュール１４の発電量を制御する制御装置（制御部）２０とを備える。
【００３９】
燃料電池モジュール１４は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２２を一対のセパレータ２４で挟持する固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）２６を設け、複数の前記燃料電池２６が鉛直方向又は水平方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２８を備える。
【００４０】
燃料電池モジュール１４は、酸化剤ガスを燃料電池スタック２８に供給する前に加熱する熱交換器３０と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３２と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する予備改質器３４とを備える。
【００４１】
予備改質器３４は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００４２】
燃料電池２６は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２２では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。
【００４３】
熱交換器３０は、燃料電池スタック２８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック２８に供給される。
【００４４】
蒸発器３２の入口には、水ポンプシステム１０と燃料ガス供給装置１６とが接続されるとともに、前記蒸発器３２の出口は、予備改質器３４の入口に連結される。予備改質器３４の出口は、燃料電池スタック２８の燃料ガス供給連通孔（図示せず）に連通する。
【００４５】
図２に示すように、水ポンプシステム１０は、第１シリンダ４０ａに設けられる第１ポンプ室４２ａと、第２シリンダ４０ｂに設けられる第２ポンプ室４２ｂとに共通のプランジャ４４の両端が配置され、前記プランジャ４４が矢印Ａ方向に往復動作する水ポンプ（流体ポンプ）４６を備える。
【００４６】
水ポンプ４６は、プランジャ４４が矢印Ａ方向に往復動作することにより、第１ポンプ室４２ａにおける水（流体）の吸入工程と第２ポンプ室４２ｂにおける前記水の吸入工程とが、前記第１ポンプ室４２ａにおける前記水の吐出工程と前記第２ポンプ室４２ｂにおける前記水の吐出工程とが、それぞれ交互に行われる。
【００４７】
第１ポンプ室４２ａ及び第２ポンプ室４２ｂには、図示しない水供給源に接続されている水導入路４８から分岐する第１分岐路５０ａ及び第２分岐路５０ｂが接続される。第１分岐路５０ａ及び第２分岐路５０ｂは、第１ポンプ室４２ａ及び第２ポンプ室４２ｂの出口側で水導出路５２に合流し、蒸発器３２に接続される。
【００４８】
第１分岐路５０ａには、第１ポンプ室４２ａの上流側に位置し、前記第１ポンプ室４２ａへの水の吸入を調節する第１吸入側バルブ（第１吸入調節部）５４ａと、前記第１ポンプ室４２ａの下流側に位置し、前記第１ポンプ室４２ａからの前記水の吐出を調節する第１吐出側バルブ（第１吐出調節部）５６ａとが配置される。第２分岐路５０ｂには、第２ポンプ室４２ｂの上流側に位置し、前記第２ポンプ室４２ｂへの水の吸入を調節する第２吸入側バルブ（第２吸入調節部）５４ｂと、前記第２ポンプ室４２ｂの下流側に位置し、前記第２ポンプ室４２ｂからの前記水の吐出を調整する第２吐出側バルブ（第２吐出調節部）５６ｂとが配置される。
【００４９】
第１シリンダ４０ａは、プランジャ４４の端部４４ａが摺動自在に配置される第１作動室５８ａを有し、この第１作動室５８ａは、作動用液体又は作動用気体の供給及び排出を行うプランジャ作動部６０に連通する。第２シリンダ４０ｂは、同様にプランジャ４４の端部４４ｂが摺動自在に配置される第２作動室５８ｂを有するとともに、この第２作動室５８ｂは、プランジャ作動部６０に連通する。
【００５０】
なお、プランジャ作動部６０は、アクチュエータとして流体を使用しているが、このような構成に限定されるものではなく、例えば、ウォームギア等を用いた機械的なアクチュエータを採用してもよい。
【００５１】
プランジャ４４の両方の端部４４ａ、４４ｂには、前記プランジャ４４の往復動作方向にかかる荷重の大きさにより伸縮する第１緩衝部６２ａ及び第２緩衝部６２ｂが設けられる。第１緩衝部６２ａは、第１バネ６４ａと第１ダンパー６６ａとが並列され、両端が端部４４ａと第１ピストン部６８ａとに連結される。第２緩衝部６２ｂは、第２バネ６４ｂと第２ダンパー６６ｂとが並列されるとともに、両端が端部４４ｂと第２ピストン部６８ｂとに接続される。第１緩衝部６２ａ及び第２緩衝部６２ｂは、伸び側の減衰力が縮み側の減衰力よりも小さくなるように設定される。
【００５２】
制御装置２０は、燃料電池システム１２全体の制御を行うとともに、プランジャ作動部６０、第１吸入側バルブ５４ａ、第１吐出側バルブ５６ａ、第２吸入側バルブ５４ｂ及び第２吐出側バルブ５６ｂの制御を行う。
【００５３】
このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。
【００５４】
図１に示すように、燃料ガス供給装置１６の駆動作用下に、蒸発器３２には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水ポンプシステム１０の駆動作用下に、蒸発器３２には、水が供給されるとともに、熱交換器３０には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
【００５５】
蒸発器３２では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、予備改質器３４の入口に供給される。混合燃料は、予備改質器３４内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、予備改質器３４の出口から燃料電池スタック２８に導入される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
【００５６】
一方、熱交換器３０に供給される空気は、この熱交換器３０に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３０で加温された空気は、燃料電池スタック２８に導入され、図示しないカソード電極に供給される。
【００５７】
従って、電解質・電極接合体２２では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２２の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３０を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。この排ガスは、予備改質器３４及び蒸発器３２にも供給された後、外部に排出される。
【００５８】
次いで、水ポンプシステム１０の運転方法について、図３に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００５９】
なお、図３中、ラインＬ１は、第１シリンダ４０ａの切り替えタイミングを示し、ラインＬ２は、第２シリンダ４０ｂの切り替えタイミングを示す。ラインＬ１の実線部分は、第１吸入側バルブ５４ａが閉塞される一方、第１吐出側バルブ５６ａが開放され、このラインＬ１の破線部分は、前記第１吸入側バルブ５４ａが開放される一方、前記第１吐出側バルブ５６ａが閉塞される。ラインＬ２の実線部分は、第２吸入側バルブ５４ｂが閉塞される一方、第２吐出側バルブ５６ｂが開放され、このラインＬ２の破線部分は、前記第２吸入側バルブ５４ｂが開放される一方、前記第２吐出側バルブ５６ｂが閉塞される。
【００６０】
時間ｔ１、ｔ２及びｔ３は、それぞれプランジャ４４の移動方向が切り替えられるタイミングを示す。時間ｔ１までは、矢印Ａ１方向に移動し、前記時間ｔ１〜時間ｔ２までは、矢印Ａ２方向に移動し、前記時間ｔ２〜時間ｔ３までは、矢印Ａ１方向に移動し、前記時間ｔ３以降は、同様に繰り返す。
【００６１】
そこで、先ず、時間ｔ１までの間には、図４に示すように、第１吸入側バルブ５４ａ及び第２吐出側バルブ５６ｂが閉塞される一方、第１吐出側バルブ５６ａ及び第２吸入側バルブ５４ｂが開放される。そして、プランジャ作動部６０の作用下に、プランジャ４４が矢印Ａ１方向に向かって移動する。このため、プランジャ４４の端部４４ａは、矢印Ａ１方向に移動し、この端部４４ａに第１緩衝部６２ａを介して接続されている第１ピストン部６８ａは、第１ポンプ室４２ａを矢印Ａ１方向に移動し、前記第１ポンプ室４２ａ内の水が水導出路５２に吐出される。
【００６２】
一方、第２シリンダ４０ｂでは、プランジャ４４の端部４４ｂは、矢印Ａ１方向に移動し、この端部４４ｂに第２緩衝部６２ｂを介して連設されている第２ピストン部６８ｂは、第２ポンプ室４２ｂ内を矢印Ａ１方向に移動する。従って、水導入路４８から第２ポンプ室４２ｂに水が吸入される。
【００６３】
次いで、時間ｔ１では、プランジャ作動部６０が操作されて、作動流体の供給先が第１作動室５８ａから第２作動室５８ｂに切り替えられる。これにより、プランジャ４４は、矢印Ａ１方向から矢印Ａ２方向に移動方向が変更され、第１ポンプ室４２ａは、吐出工程から吸入工程に移行する一方、第２ポンプ室４２ｂは、吸入工程から吐出工程に移行する。
【００６４】
その際、第１緩衝部６２ａは、縮み側から延び側に移行するとともに、延び側の減衰力が縮み側の減衰力よりも小さくなるように設定されている。このため、プランジャ４４が矢印Ａ２方向に移動を開始しても、第１ピストン部６８ａは、矢印Ａ１方向への移動が継続され、吐出工程から吸入工程への移行が極めて緩やかに行われる（図３参照）。
【００６５】
さらに、時間ｔａに至ると、第２シリンダ４０ｂ側では、図５に示すように、第２吸入側バルブ５４ｂが閉塞される一方、第２吐出側バルブ５６ｂが開放される。従って、プランジャ４４の矢印Ａ２方向への移動により、第２ポンプ室４２ｂから水導出路５２への水の吐出が開始されるとともに、第１ポンプ室４２ａからの水の吐出が継続されている。すなわち、水導出路５２には、第１ポンプ室４２ａから吐出される水と、第２ポンプ室４２ｂから吐出される水とが合流し、蒸発器３２に給水が行われている。
【００６６】
さらにまた、時間ｔｂでは、図６に示すように、第１吸入側バルブ５４ａが開放される一方、第１吐出側バルブ５６ａが閉塞される。これにより、第１ポンプ室４２ａでは、プランジャ４４を介して第１ピストン部６８ａが矢印Ａ２方向に移動し、この第１ポンプ室４２ａに水の吸入工程が開始されるとともに、第２ポンプ室４２ｂからの水の吐出が行われる。
【００６７】
また、時間ｔ２が経過すると、プランジャ作動部６０が操作されて、プランジャ４４が矢印Ａ２方向から矢印Ａ１方向に移動方向を変更する。このため、第１ポンプ室４２ａは、吸入工程から吐出工程に移行する一方、第２ポンプ室４２ｂは、吐出工程から吸入工程に移行する。
【００６８】
ここで、第２シリンダ４０ｂには、第２緩衝部６２ｂが設けられており、この第２緩衝部６２ｂは、伸び側の減衰力が縮み側の減衰力よりも小さくなるように設定されている。従って、プランジャ４４が矢印Ａ２方向から矢印Ａ１方向に移動方向を変更させると、第２緩衝部６２ｂが縮み側から伸び側に移行し、第２ポンプ室４２ｂからの水の吐出工程が継続される。すなわち、第２ポンプ室４２ｂでは、吐出工程から吸入工程への以降が極めて緩やかに行われる。
【００６９】
そして、時間ｔｃでは、図７に示すように、第１吸入側バルブ５４ａが閉塞されるとともに、第１吐出側バルブ５６ａが開放される。これにより、第１シリンダ４０ａでは、プランジャ４４の矢印Ａ１方向への移動に伴なって、第１ピストン部６８ａが第１ポンプ室４２ａ内を矢印Ａ１方向に移動し、この第１ポンプ室４２ａから水の吐出が開始される。
【００７０】
一方、第２シリンダ４０ｂでは、プランジャ４４が矢印Ａ１方向に移動するものの、第２緩衝部６２ｂの作用下に、第２ピストン部６８ｂは、矢印Ａ２方向への移動が継続される。すなわち、第２ポンプ室４２ｂからの水の吐出が継続される。
【００７１】
さらに、時間ｔｄが経過する際、第２吸入側バルブ５４ｂが開放されるとともに、第２吐出側バルブ５６ｂが閉塞される。このため、図４に示すように、第２ポンプ室４２ｂが吸入工程に移行する一方、第１ポンプ室４２ｂでは、吐出工程が継続されている。
【００７２】
この場合、第１の実施形態では、水ポンプ４６は、第１ポンプ室４２ａと第２ポンプ室４２ｂとに配置される単一のプランジャ４４を備えている。従って、第１シリンダ４０ａと第２シリンダ４０ｂとに、それぞれ専用のプランジャを備える構成に比べ、水ポンプシステム１０全体の構成が簡単且つ安価になるとともに、小型化が容易に図られる。
【００７３】
しかも、プランジャ４４の両端４４ａ、４４ｂには、前記プランジャ４４の往復方向に係る荷重の大きさにより伸縮する第１緩衝部６２ａ及び第２緩衝部６２ｂが設けられている。第１緩衝部６２ａ及び第２緩衝部６２ｂは、伸び側の減衰力と縮み側の減衰力とが異なるように設定されている。具体的には、伸び側の減衰力が縮み側の減衰力よりも小さくなるように設定されている。
【００７４】
これにより、プランジャ４４が第１ポンプ室４２ａ側から第２ポンプ室４２ｂ側に（矢印Ａ２方向）に移動方向を変更させる際、前記第１ポンプ室４２ａでは、第１緩衝部６２ａにより吐出工程が継続されている（時間ｔ１〜時間ｔｂ間）。このため、時間ｔａで第２シリンダ４０ｂによる吐出工程が開始される際、図５に示すように、第１ポンプ室４２ａの吐出工程の一部が、前記第２ポンプ室４２ｂの吐出工程に重複され、水の吐出が途切れることがない。従って、蒸発器３２には、水の吐出が安定して行われ、脈動が良好に抑制されるという効果が得られる。
【００７５】
同様に、プランジャ４４が第２ポンプ室４２ｂ側から第１ポンプ室４２ａ側に移動方向を変更させる際（時間ｔ２）、第２ポンプ室４２ｂでは、第２緩衝部６２ｂを介して水の吐出工程が継続されている（時間ｔ２〜時間ｔｄ間）。これにより、第２ポンプ室４２ｂからの吐出工程の一部が、第１ポンプ室４２ａからの水の吐出工程に重複されるため、水の吐出が途切れることはない。このため、蒸発器３２に対して水の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００７６】
さらに、制御装置２０は、第１ポンプ室４２ａにおける水の吐出工程と、第２ポンプ室４２ｂにおける前記水の吐出工程とを部分的に重複させている。従って、水の吐出が途切れることがなく、前記水の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００７７】
さらにまた、制御装置２０は、第１ポンプ室４２ａにおける水の吸入工程と、第２ポンプ室４２ｂにおける前記水の吸入工程とを重複させない。これにより、第１ポンプ室４２ａの吐出工程の一部を、第２ポンプ室４２ｂの吐出工程に重複させることができる。このため、水の吐出が途切れることがなく、前記水の吐出が安定して遂行され、脈動が良好に抑制される。
【００７８】
また、燃料電池モジュール１４は、固体酸化物型燃料電池モジュール１４を採用している。従って、特に、水蒸気改質を用いる固体酸化物型の燃料電池スタック２８では、水の吐出が途切れることがなく、且つ前記水の突出が安定するため、コーキング（炭素析出）が抑制されて燃料電池２６の性能の安定化及び耐久性の向上が容易に図られる。
【００７９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成説明図である。
【００８０】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００８１】
燃料電池システム８０は、水ポンプシステム１０及び加湿ポンプシステム（流体ポンプシステム）８２とを用いている。加湿ポンプシステム８２は、水ポンプシステム１０と同様に構成される。
【００８２】
燃料電池システム８０を構成する燃料電池モジュール８４は、図示しないが、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される電解質膜・電極構造体８６を一対のセパレータ８８で挟持する固体高分子形の燃料電池（ＰＥＦＣ）９０を設け、複数の前記燃料電池９０が積層される固体高分子形の燃料電池スタック９２を備える。
【００８３】
燃料電池モジュール８４は、熱交換器３０、蒸発器３２及び改質器３４ａを備えるとともに、前記改質器３４ａの下流には、ＣＯ除去器９４及び水素加湿器９６が接続される。熱交換器３０の下流には、酸素加湿器９８が接続される。水素加湿器９６及び酸素加湿器９８には、加湿ポンプシステム８２から水が供給され、使用前の水素ガス及び空気を加湿している。
【００８４】
このように構成される第２の実施形態では、加湿ポンプシステム８２を備えており、この加湿ポンプシステム８２から水素加湿器９６及び酸素加湿器９８に水が供給され、燃料電池スタック９２に供給される前の水素ガス及び酸素ガスが予め加湿されている。
【００８５】
その際、水素加湿器９６及び酸素加湿器９８への水の吐出が途切れることがなく、前記水の吐出が安定して遂行される。このため、脈動が良好に抑制されるとともに、特に、固体高分子電解質膜の加湿不足（ドライアウト）が抑制され、燃料電池９０の性能の安定化及び耐久性の向上が容易に図られるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００８６】
１０…水ポンプシステム                １２、８０…燃料電池システム
１４、８４…燃料電池モジュール        １６…燃料ガス供給装置
１８…酸化剤ガス供給装置              ２０…制御装置
２６、９０…燃料電池                  ２８、９２…燃料電池スタック
４０ａ、４０ｂ…シリンダ              ４２ａ、４２ｂ…ポンプ室
４４…プランジャ                      ４４ａ、４４ｂ…端部
４６…水ポンプ                        ４８…水導入路
５２…水導出路                        ５４ａ、５４ｂ…吸入側バルブ
５６ａ、５６ｂ…吐出側バルブ          ５８ａ、５８ｂ…作動室
６０…プランジャ作動部                ６２ａ、６２ｂ…緩衝部
６４ａ、６４ｂ…バネ                  ６６ａ、６６ｂ…ダンパー
６８ａ、６８ｂ…ピストン部            ８２…加湿ポンプシステム
９６…水素加湿器                      ９８…酸素加湿器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011185116.tif 000009
【図８】
2011185116.tif 000010
【図９】
2011185116.tif 000011
【図１０】
2011185116.tif 000012
【図１１】
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