(57)【要約】【課題】燃料電池装置側から要求される適正量の水（水蒸気）を改質器に供給することを可能とする燃料電池システムにおいて水ポンプ装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】改質器７に水を供給するポンプ手段１６と、ポンプ手段１６を駆動する駆動手段１２と、駆動手段１２を制御する制御手段１８と、により構成され、この制御手段１８は、駆動手段１２への制御入力値に対するポンプ手段１６からの実際の吐出量を規定する関数式を格納する記憶手段を備え、関数式に基づいて駆動手段１２の駆動制御を行う。ここで、この関数式の係数及び定数が、各ポンプ装置毎に測定され、当該測定結果に基づいて設定される。【選択図】図４
2007120306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを改質器において水蒸気改質することにより水素リッチガスに変換し、当該水素リッチガスを用いて発電する燃料電池システムにおける水供給用ポンプ装置であって、
前記改質器に水を供給するポンプ手段と、
前記ポンプ手段を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、により構成され、
前記制御手段は、前記駆動手段への制御入力値に対する前記ポンプ手段からの実際の吐出量を規定する関数式を格納する記憶手段を備え、前記関数式に基づいて前記駆動手段の駆動制御を行うことを特徴とするポンプ装置。
【請求項２】
前記ポンプ手段は、その水吐出量が前記駆動手段の回転数と比例関係となる特性を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
【請求項３】
前記ポンプ手段は、所定容量の水を吸入し吐出する容量型ポンプであることを特徴とする請求項２に記載のポンプ装置。
【請求項４】
前記記憶手段に格納された前記関数式は、Ｑ＝ａＸ＋ｂ（但し、Ｑは当該ポンプ装置からの水吐出量、Ｘは前記駆動手段への制御入力値、ａは正の係数、ｂは正又は負の定数）によって表される一次式であって、前記係数ａ及び前記定数ｂはそれぞれ書き換え可能であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
【請求項５】
前記関数式の係数ａ及び定数ｂは、予め設定された２つの制御入力値（Ｘ１、Ｘ２）に対応する２つの前記吐出量（Ｑ１、Ｑ２）が各ポンプ装置毎に測定され、当該測定結果に基づいて算出されることを特徴とする請求項４に記載のポンプ装置。
【請求項６】
前記２つの制御入力値（Ｘ１、Ｘ２）は、前記ポンプ手段からの吐出量が最大値と最小値とする設計値がそれぞれ設定されることを特徴とする請求項５に記載のポンプ装置。
【請求項７】
前記駆動手段は直流モータであり、前記制御入力値は前記駆動手段に印加される電圧値であることを特徴とする請求項５又は６に記載のポンプ装置。
【請求項８】
燃料ガスを改質器において水蒸気改質することにより水素リッチガスに変換し、当該水素リッチガスを用いて発電する燃料電池システムにおける水供給用ポンプ装置の制御方法であって、当該水供給用ポンプ装置は、前記改質器に水を供給するポンプ手段と、前記ポンプ手段を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、により構成され、
（ａ）前記駆動手段に対して第１の入力制御値（Ｘ１）を入力するステップと、
（ｂ）前記第１の入力制御値（Ｘ１）における前記ポンプ手段からの第１の水吐出量（Ｑ１）を求めるステップと、
（ｃ）前記駆動手段に対して第２の入力制御値（Ｘ２）を入力するステップと、
（ｄ）前記第２の入力制御値（Ｘ２）における前記ポンプ手段からの第２の水吐出量（Ｑ１）を求めるステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｂ）及び（ｄ）の測定結果に基づいて、前記駆動手段への制御入力値に対する前記ポンプ手段からの吐出量を規定する一次関数式を求めるステップと、
（ｆ）前記一次関数式を記憶手段に格納するステップと、の各ステップを有し、
前記制御手段は、前記駆動手段の駆動制御を前記一次関数式に基づいて行うことを特徴とするポンプ装置の制御方法。
【請求項９】
前記記憶手段には、予め、前記駆動手段への制御入力値に対する前記ポンプ手段からの吐出量を規定する設計式が格納されていることを特徴とする請求項８に記載のポンプ装置の制御方法。
【請求項１０】
前記２つの制御入力値（Ｘ１、Ｘ２）は、前記ポンプ手段からの吐出量が最大値と最小値とする値がそれぞれ設定されることを特徴とする請求項９に記載のポンプ装置の制御方法。
【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おける水供給用ポンプ装置及びその制御方法に関し、特に、天然ガス、都市ガス、ＬＰガス、メタノール、ガソリン等の燃料ガスから水素ガスを作り出す水蒸気改質を行う際に、改質器に供給される燃料ガスの流量に対応して水（水蒸気）の供給量を高精度に制御することが必要な燃料電池システムにおける水供給用ポンプ装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、天然ガス、都市ガス等の燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチガスを得る必要がある。改質器においては、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを触媒上で改質反応させる。このような水蒸気改質反応において、高濃度の水素リッチガスを効率良く得るためには高性能の触媒を使用すると共に、燃料電池の出力に応じて改質器への燃料ガスと水蒸気の供給量を常時適正量に制御する必要がある。
【０００３】
燃料電池システムを構成する改質器への水蒸気の供給は、水蒸気発生器により行われるが、水蒸気発生器に対する水の供給は、渦巻ポンプ等のポンプによって行われている。このため、改質器に供給される水蒸気量を適正量に制御するためには、蒸気発生器に対する水の供給量を適正に制御する必要がある。そして、燃料電池システムにおいては、燃料電池本体の出力（電力）は変動するので、これに対応して改質器への燃料ガスと水蒸気の供給量は、常時可変的に制御する必要性がある。
【０００４】
このような、燃料電池システムにおいて使用される水供給ポンプの第１の例として、特許文献１は、蒸気発生器１へ水を供給するポンプ５と蒸気発生器１との間に、上流側から流量調整弁１８、流量検出器１９を順次配置した構成のポンプ装置２を開示している。そして、出力電力計１４によって燃料電池３本体の出力電力を検出し、この出力電力に対応した水吐出量を関数発生器２１により算出し、水の供給量を上記算出結果に一致するように、流量検出器１９の検出値と前記算出結果とをコントローラ２０で比較して、流量調整弁１８の開度を制御するようにしている。
【０００５】
また、特許文献２は、燃料電池システムにおける燃料供給装置（ポンプ）であって、燃料電池の負荷回路側に設けられた電流検出器２１の出力信号に基づいて液体燃料供給量を演算し指令信号を発する液体燃料演算部を有し、前記出力信号及び流量検出器２３の出力信号を入力とする比較器２４により両者の差を求め、この差に基づいて制御部２５によってポンプ８が駆動されることにより、気化器６に送られるアルコール等の液体燃料の流量が燃料電池１の出力電流に対応して制御するようにした装置を記載している。
【特許文献１】特許第２７１０１２４号公報
【特許文献２】特公平８−３４１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、従来の燃料供給システムにおいては、水供給ポンプ及び燃料ガス供給ポンプ共に、供給ポンプから改質器側に供給される液体量は、流量検出器によって検出されその検出結果に基づいて流量調整弁の弁開度を調整するようにした閉ループのフィードバック制御を必要とするものであって、装置の全体構成及び制御装置が複雑化しており、燃料電池システムの構成の簡易化、小型化及び低コスト化を実現する上で問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の燃料電池システムが有していた課題を解決するものであって、燃料電池システムの構成の簡易化、小型化及び低コスト化を実現するために流量検出器及び流量調整弁を必要とせず、またフィードバック制御を行うことなく、燃料電池装置側から要求される適正量の水（水蒸気）を改質器に供給することを可能とする水ポンプ装置及びその制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本発明は、燃料ガスを改質器において水蒸気改質することにより水素リッチガスに変換し、当該水素リッチガスを用いて発電する燃料電池システムにおける水供給用ポンプ装置であって、前記改質器に水を供給するポンプ手段と、前記ポンプ手段を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、により構成され、前記制御手段は、前記駆動手段への制御入力値に対する前記ポンプ手段からの実際の吐出量を規定する関数式を格納する記憶手段を備え、前記関数式に基づいて前記駆動手段の駆動制御を行うことを特徴とするポンプ装置を提供するものである。
【０００９】
このように、本発明においては、ポンプの駆動手段への制御入力値に対するポンプ手段からの実際の吐出量を規定する関数式に基づいて駆動手段の駆動制御を行うので、燃料電池装置側から要求される適正量の水（水蒸気）を改質器に供給することを実現したのである。
【００１０】
ここで、前記ポンプ手段は、その水吐出量が前記駆動手段の回転数と比例関係となる特性を有するものであって、このポンプ手段は、所定容量の水を吸入し吐出する容量型ポンプであることを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、このような特性のポンプ手段を使用することにより、燃料電池装置側から水吐出要求量は、一義的にポンプ手段の回転数に置換することができ、ポンプ手段の回転数の適正制御により、適正量の水量を供給することを可能にしているのである。
【００１２】
ところで、上記のような特性のポンプ手段を使用する場合、燃料電池装置側から水吐出要求量は、ポンプ手段の回転数と比例関係にあるので、前記記憶手段に格納された前記関数式は一次関数式で表すことができ、これを、Ｑ＝ａＸ＋ｂ（但し、Ｑは当該ポンプ装置からの水吐出量、Ｘは前記駆動手段への制御入力値、ａは正の係数、ｂは正又は負の定数）によって表すことができる。
【００１３】
従って、前記係数ａ及び前記定数ｂは、予め設定された２つの制御入力値（Ｘ１、Ｘ２）に対応する２つの前記吐出量（Ｑ１、Ｑ２）が各ポンプ装置毎に測定され、当該測定結果に基づいて算出されるのである。これによって、各ポンプの製造上のバラツキやさらには経年変化等によって生じ得る吐出量のバラツキを吸収することができるので、従来のポンプ装置のように、流量検出器によって検出されその検出結果に基づいて流量調整弁の弁開度を調整するようにした閉ループのフィードバック制御を不要としたのである。
【００１４】
ここで、前記２つの制御入力値（Ｘ１、Ｘ２）は、前記ポンプ手段からの吐出量が最大値と最小値とする設計値がそれぞれ設定されるようにする。これにより、各ポンプ手段の制御入力値に対する水吐出量をより正確に設定することができるのである。ところで、前記駆動手段が直流モータの場合、前記制御入力値は前記駆動手段に印加される電圧値となる。
【００１５】
本発明は、さらに、上記構成に係る水供給用ポンプ装置の制御方法であって、当該水供給用ポンプ装置は、前記改質器に水を供給するポンプ手段と、前記ポンプ手段を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、により構成され、（ａ）前記駆動手段に対して第１の入力制御値（Ｘ１）を入力するステップと、（ｂ）前記第１の入力制御値（Ｘ１）における前記ポンプ手段からの第１の水吐出量（Ｑ１）を求めるステップと、（ｃ）前記駆動手段に対して第２の入力制御値（Ｘ２）を入力するステップと、（ｄ）前記第２の入力制御値（Ｘ２）における前記ポンプ手段からの第２の水吐出量（Ｑ１）を求めるステップと、（ｅ）前記ステップ（ｂ）及び（ｄ）の測定結果に基づいて、前記駆動手段への制御入力値に対する前記ポンプ手段からの吐出量を規定する一次関数式を求めるステップと、（ｆ）前記一次関数式を記憶手段に格納するステップと、の各ステップを有し、前記制御手段は、前記駆動手段の駆動制御を前記一次関数式に基づいて行うことを特徴とする水供給用ポンプ装置の制御方法を提供するものである。
【００１６】
ここで、前記記憶手段には、予め、前記駆動手段への制御入力値に対する前記ポンプ手段からの吐出量を規定する設計式が格納されており、前記２つの制御入力値（Ｘ１、Ｘ２）は、前記ポンプ手段からの吐出量が最大値と最小値とする値がそれぞれ設定されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
上記のとおり、本発明に係る燃料電池システムにおける水ポンプ装置は、ポンプの駆動手段への制御入力値に対するポンプ手段からの実際の吐出量を規定する関数式に基づいて駆動手段の駆動制御を行うので、燃料電池装置側から要求される適正量の水（水蒸気）を高精度に改質器に供給することを実現したのである。そして、この関数式の係数及び定数は、各ポンプ装置毎に測定され、当該測定結果に基づいて算出され記憶されるので、各ポンプの製造上のバラツキやさらには経年変化等によって生じ得る吐出量のバラツキを吸収することができるので、従来のポンプ装置のように、流量検出器によって検出されその検出結果に基づいて流量調整弁の弁開度を調整するようにした閉ループのフィードバック制御を不要とし、燃料電池システムの構成の簡易化、小型化及び低コスト化を実現したのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の水ポンプ装置１０を備えた燃料電池システムの全体構成を示すものである。図１に示すように、燃料電池システムを構成する燃料電池本体１は、高分子電解質膜（イオン交換膜）の一側に燃料極触媒層（燃料極）を備え、他側に空気極触媒層（空気極）を備えた単セルを複数積層して燃料電池スタックに構成してある。この燃料電池本体１においては直流の電気が発生するので、例えばインバータ等のごとき電力変換装置３を介して交流に変換される。また、前記燃料電池本体１において発生した水や冷却のために使用された水の一部は貯湯タンク５に貯留されて給湯に供されることにより、電力の供給のみならず給湯することができることから、所謂コージェネレーションシステムを形成している。
【００１９】
また、図１に示すように、この燃料電池システムには、例えば天然ガス、都市ガス、プロパンガス等の燃料ガスを水素リッチガスに交換するために、改質器７が備えられている。この改質器７は、燃料ガス供給源９から供給される燃料ガスと水タンク１１から供給された水を加熱して発生した水蒸気との混合ガスを、改質触媒上で水蒸気改質反応を行わせる、いわゆる水蒸気改質を行うものである。この改質器７には、内装した改質触媒を加熱すると共に前記水タンク１１から供給された水（純水）を加熱蒸発するための加熱手段１３が備えられている。尚、前記改質触媒は通常の触媒と同様であることから、当該改質触媒についての詳細な説明は省略する。
【００２０】
また、加熱手段１３は、燃料電池本体１において発電に使用されることなく排出された燃料極オフガスを燃焼すること、及び／又は前記燃料ガス供給手段９から供給される燃料ガスを燃焼することによって、改質触媒の加熱、水の加熱蒸発を行うものである。
【００２１】
ところで、燃料ガス供給源９から改質器７へ燃料ガスを供給するために、燃料ガス供給源９と改質器７はガス流路１５を介して接続してあり、このガス流路１５には、燃料ガスの流量を検出するためのガス流量センサ１７が設けられている。そして、このガス流路１５には、燃料ガスに添加されている微量の硫黄化合物を除去するための脱硫器（図示せず）が備えられている。また、燃料ガス供給源９と加熱手段１３はガス流路１９を介して接続されてあり、このガス流路１９には燃料ガスの流量を調整するための流量調整弁２１が備えられている。
【００２２】
加熱手段１３の加熱によって水蒸気を発生するために、改質器７の蒸気発生部２２と水タンク１１は水流路２５を介して接続してあり、この水流路２５には本発明に係るポンプ装置１０が配置してある。このポンプ装置１０は、後に図２と共に詳しく説明するように、改質器７における蒸気発生器２３に対して水を供給するポンプ手段１６と、ポンプ手段１６を駆動する駆動手段である制御モータ１２と、この制御モータ１２を制御する制御手段１８とにより構成される。
【００２３】
ところで、燃料電池本体１の空気極に対して空気の供給を行うために、送風器２９が設けてあり、この送風器２９と燃料電池本体１の空気極及び加熱手段１３は空気流路３１を介して接続してある。
【００２４】
改質器７に対する前記燃料ガスの供給量に対応して、蒸気発生部２２に対する水の供給量を制御するために、コントローラ３３が備えられている。このコントローラ３３は、ガス流量センサ１７の検出値に対応してポンプ装置１０における制御モータ１２の回転数を制御するもので、例えば、ガス流量センサ１７の検出値とモータの回転数、すなわち水の吐出量との関係を予めデータベース化して備えている。したがって、ガス流量センサ１７によってガス流量が検出されると、この検出値に対応してポンプ装置１０からの吐出量が一義的に制御されるものである。
【００２５】
また、改質器７には一酸化炭素除去処理手段３５が備えられている。この一酸化炭素除去処理手段３５は、改質器７においての水蒸気改質反応により発生したＣＯを除去するためのものであって、シフト触媒によりシフト反応を行うＣＯ変成器及びＣＯ選択酸化触媒によりＣＯ選択酸化反応を行うＣＯ除去器を備えるものである。
【００２６】
このように、燃料ガス供給源９から改質器７へ燃料ガスを供給すると共に水タンク１１内の水をポンプ装置１０によって蒸気発生部２２へ供給し、加熱手段１３の加熱によって蒸発した蒸気と前記燃料ガスとを混合すると、改質器７に備えた改質触媒上で水蒸気改質反応が行われ、水素リッチガスに改質される。そして、この水素リッチガスに含まれるＣＯは、一酸化炭素除去処理手段３５によって除去されるのである。
【００２７】
ところで、ＣＯが除去された水素ガスが燃料電池本体１の燃料極へ供給されると共に送風器２９の作用によって燃料電池本体１の空気極へ空気が供給され、水素と酸素との発応によって水が生成される際に発電が行われる。そして、電力変換装置３を介して電力の供給が行われると共に、燃料電池本体１において発生した水、冷却に使用された水が貯湯タンク５に貯留されて給湯に供される。
【００２８】
上記したとおり、燃料ガス供給源９から改質器７へ燃料ガスの供給を行うとき、燃料ガスの供給量はガス流量センサ１７によって検出される。このガス流量センサ１７の検出値はコントローラ３３に取り込まれ、コントローラ３３においては前記ガス流量の検出値に対応してポンプ装置１０におけるポンプ手段１６の回転を制御する。したがって、蒸気発生部２２に対して、ガス流量に対応した水が供給されることになる。
【００２９】
これにより、改質器７に対する燃料ガスの供給量が変化した場合であっても、燃料ガスの供給量に対して水を過不足なく供給することができ、常に効率よく水蒸気改質を行うことができるものである。換言すれば、燃料電池本体１の出力電力に応じて水素リッチガスの改質を効率良く行い得るものである。
【００３０】
図２は、本発明の水供給用ポンプ装置の構成の実施の形態の例を示すものである。本発明のポンプ装置は、天然ガス、都市ガス、ＬＰガス、メタノール、ガソリン等の燃料ガスを改質器７において水蒸気改質することにより水素リッチガスに変換し、この水素リッチガスを用いて発電する燃料電池システムにおけるポンプ装置に使用されるものである。このため本ポンプ装置は、図２に示すように、改質器７における蒸気発生部２２に水を供給するポンプ手段１６と、ポンプ手段１６を駆動する駆動手段（制御モータ）１２と、駆動手段１２を制御する制御手段１８と、により構成される。
【００３１】
そして、制御手段１８は、図２に示すように、ポンプ装置１０内の全体制御を司るＣＰＵ、水晶振動子を備えるクロック（ＣＬＫ）回路、ＰＷＭ回路（パルス幅変調回路）、プログラムや固定データを格納するＲＯＭ、ワーキングエリアとして使用して変数データを格納すしたりするＲＡＭ、そして、駆動手段１２への制御入力値に対するポンプ手段１６からの実際の吐出量を規定する関数式を格納する電気的に書き換え可能な記憶手段であるＥＥＰＲＯＭ等から構成されている。ここで、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等は、これらをワンチップ内に形成したいわゆるワンチップＣＰＵを使用することが可能である。
【００３２】
制御手段１８は、さらに、モータである駆動手段１２に対して駆動出力信号を出力し、また、燃料電池システムにおける外部コントローラ３３から水吐出要求データを入力する入出力インターフェースを備える。この入出力インターフェースには、例えば、本ポンプ装置１０の製造出荷時やメンテナンス時において、本ポンプ装置の水吐出特性（上記関数式の係数及び定数を含む）を設定するための外部設定装置が接続される。この外部設定装置は、例えば一般的なパーソナルコンピュータを利用しても良いが、簡易な専用のデータ設定用装置を開発してこれを使用してもよい。
【００３３】
そして、本ポンプ装置１０は、このような外部設定装置により設定された関数式に基づいて、駆動手段の駆動制御を行うのである。駆動手段１２への制御入力値に対するポンプ手段１６からの実際の吐出量を規定するこの関数式における係数及び定数の設定は、個々のポンプ装置１０毎に行われるので、ポンプ装置の製造上の誤差やバラツキを吸収することができるので、本ポンプ装置１０は、燃料電池装置側から要求される要求吐出量に対して適正量の水を蒸気発生部２２に供給することができるのである。尚、ポンプ手段１６へのメイズの供給は、外部の水タンク１１から行われる。
【００３４】
ところで、本ポンプ装置１０を構成するポンプ手段１６は、例えば、その水吐出量が駆動手段であるモータ１２の回転数と比例関係となる特性を有するものであることが望ましい。このため、ポンプ手段１６は、例えば、所定容量の水を吸入し吐出する容量型ポンプを使用する。当該容量型ポンプの例は、後に、図５の記載と共に詳しく説明する。
【００３５】
本発明においては、このような特性のポンプ手段を使用することにより、燃料電池装置側から水吐出要求量は、一義的にポンプ手段の回転数に置換することができ、ポンプ手段の回転数の適正制御により、適正量の水量を供給することを可能にしているのである。
【００３６】
このような容量型ポンプを用いた場合、燃料電池装置側から水吐出要求量は、ポンプ手段の回転数と比例関係にあるので、ＥＥＰＲＯＭ等の記憶手段に格納された関数式は一次関数式で表すことができ、これを、Ｑ＝ａＸ＋ｂによって表すことができる。ここで、Ｑは当該ポンプ装置１０からの水吐出量、Ｘは駆動手段１２への制御入力値、ａは正の係数、ｂは正又は負の定数である。
【００３７】
このため、ポンプ装置１０の出荷段階又は出荷後のメンテナンス段階において、上記関数式における係数ａ及び定数ｂは、予め設定された２つの制御入力値（Ｘ１、Ｘ２）に対応する２つの前記吐出量（Ｑ１、Ｑ２）が各ポンプ装置毎に測定され、この測定結果に基づいて算出されるのである。これにより、各ポンプの製造上のバラツキやさらには経年変化等によって生じ得る吐出量のバラツキを吸収することができるので、従来のポンプ装置のように、流量検出器によって検出されその検出結果に基づいて流量調整弁の弁開度を調整するようにした閉ループのフィードバック制御を不要とできたのである。
【００３８】
図３は、本発明の水ポンプ装置を構成するポンプ手段の入力制御値と水吐出量の関係を示すグラフである。図３に示すように、上記した２つの制御入力値（Ｘ１、Ｘ２）は、ポンプ手段１６からの吐出量が最大値と最小値とする標準設計式に基づく設計値がそれぞれ設定されるようにする。これにより、各ポンプ手段１６の制御入力値に対する水吐出量をより正確に設定することができるのである。ところで、駆動手段１２が直流モータの場合には、制御入力値は駆動手段１２に印加される電圧値となる。
【００３９】
図４は、本発明の水ポンプ装置の制御方法の例を示すフローチャートである。図４に示すように、電源がオンされて本ポンプ装置１０の駆動制御が開始されると、制御手段１８（図２参照）を構成するＣＰＵは、イニシャライズ処理を行い（Ｓ１１）、制御手段１８内のＥＥＰＲＯＭに格納されている一次関数式（Ｑ＝ａＸ＋ｂ）を読込む。ここで、当該一次関数式の係数ａ及び定数ｂは、以下のステップＳ１３乃至Ｓ１８の制御フローにおいて既に当該ポンプ装置１０特有の一次関数式の係数ａ及び定数ｂが設定されている場合は、当該係数ａ及び定数ｂであり、設定されていない場合は、当該ポンプ装置１０の設計式上の標準値となる。
【００４０】
次に、ＣＰＵは、通常の駆動制御モードであるか又は一次関数式Ｑ＝ａＸ＋ｂの設定モードかを判断し（Ｓ１３）、通常の駆動制御モードであるならば、一次関数式Ｑ＝ａＸ＋ｂ（係数ａ及び定数ｂは最新値）に基づいて駆動手段（制御モータ）１２の駆動制御を行う（Ｓ１９）。一次関数式の設定モードであるならば、ＥＥＰＲＯＭに格納されている一次関数式（Ｑ＝ａＸ＋ｂ）の入力制御値であるＸに、Ｘ１（例えば、ＱＭＡＸとなる第１の入力制御値）を設定しこのときの当該ポンプ手段の吐出値Ｑ１を測定する（Ｓ１４）。続いて、一次関数式（Ｑ＝ａＸ＋ｂ）の入力制御値Ｘに、Ｘ２（例えば、ＱＭＩＮとなる第２の入力制御値）を設定して当該ポンプ手段の吐出値Ｑ２を測定する（Ｓ１５）。尚、上記した第１の入力制御値Ｘ１と第２の入力制御Ｘ２は、それぞれ必ずしもＱＭＡＸとなる値とＱＭＩＮとなる値でなくとも、関数式上の任意の二点であればよい。
【００４１】
そして、上記ステップＳ１４で得られたＱ１＝ａ′Ｘ１＋ｂ′と上記ステップＳ１５で得られたＱ２＝ａ′Ｘ２＋ｂ′の２式から、上記一次関数式の係数ａ′と定数ｂ′を算出する（Ｓ１６）。この２つの一次関数式を解くと、係数ａ′と定数ｂ′は、それぞれ、ａ′＝（Ｑ２−Ｑ１）／（Ｘ２−Ｘ１）、ｂ′＝Ｑ２−ａ′Ｘ２（又はｂ′＝Ｑ１−ａ′Ｘ１）となる。このようにして算出された係数ａ′と定数ｂ′は、制御手段１８内のＥＥＰＲＯＭに、取り敢えず格納される。
【００４２】
次に、入力制御値Ｘ１を入力した時の目標吐出量Ｑｔ１及び入力制御値Ｘ２を入力した時の目標吐出量Ｑｔ２と、上記算出された係数ａ′と定数ｂ′とに置き換えられた一次関数式Ｑ１＝ａ′Ｘ＋ｂ′と、から、当該ポンプ装置１０の実際の駆動制御に使用される制御関数式Ｑ＝ａ″Ｘ＋ｂ″を求めて、これをＥＥＰＲＯＭに記憶する（Ｓ１８）。そして、当該制御関数式Ｑ＝ａ″Ｘ＋ｂ″に基づいて、このポンプ装置１０に水吐出駆動制御を行うのである（Ｓ１９）。そして、当該一次関数式Ｑ＝ａ″Ｘ＋ｂ″に基づく駆動制御は、例えば、当該ポンプ装置のメンテナンス時による再測定等による書き換えが行われるまで継続されるのである（Ｓ２０）。
【００４３】
次に、本発明に係るポンプ装置１０を構成するポンプ手段１６として、その水吐出量が駆動手段（制御モータ）１２の回転数と比例関係となる特性を有する具体例の構成について説明する。当該ポンプ手段１６は、所定容量の水を吸入し吐出する容量型ポンプである。
【００４４】
図５は、このような容量型ポンプ１６とこれを駆動する駆動手段である制御モータ１２の構成を示すものである。図５に示すポンプ手段１６は、所定の容積の流体を吸入しこれを吐出する容積型ポンプの例を示すものであり、本例においては、図５に示すように、プランジャポンプを一例として例示する。ポンプ手段１６は、ポンプハウジング４１を備えており、このポンプハウジング４１には回転制御を容易に行うことのできる適宜の駆動手段（制御モータ）１２が装着してある記ポンプハウジング４１の内部は、ダイアフラム４５によって駆動系室４７Ａとポンプ室４７Ｂとに区画してあり、駆動系室４７Ａには前記モータ４３の回転軸４９が内方向に突出配置してある。この回転軸４９には偏心カム５１が一体的に取付けてあり、この偏心カム５１の外周には例えばニードルベアリングのごとき回転体５３が回転自在に備えられている。
【００４５】
ポンプハウジング４１のポンプ室４７Ｂには、当該ポンプハウジング４１の段部との間に前記ダイアフラム４５の外周縁を挾持した大略円筒形状のシリンダ５５が嵌合固定してある。このシリンダ５５には、プランジャ５７を往復動自在に嵌合したプランジャ嵌合孔５９が形成してあり、このプランジャ嵌合孔５９は、当該プランジャ嵌合孔５９の軸方向に対して直交する方向に開口した吸入口６１を介して前記水タンク１１に接続してある。
【００４６】
上記プランジャ嵌合孔５９の内面とプランジャ５７の外表面は防錆対策としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理してあり、両者の間隙は、２乃至２０マイクロメートルに設定してある。したがって、耐摩耗性、耐食性が向上して長寿命になると供にプランジャ５７の往復動によって水の吐出を行うとき、漏洩がなく、定流量の吐出を高精度に行うことができるものである。
【００４７】
プランジャ５７は一端側（図５において上端側）が開口した内孔６３を備えたパイプ状に形成してあり、このプランジャ５７の他端側はダイアフラム４５と一体的に連結してある。そしてプランジャ５７の他端部は回転体５３の外周面に当接してある。上記プランジャ５７の他端部を回転体５３の外周面に押圧付勢するために、プランジャ５７に設けた軸方向の長孔５７Ａを相対的に摺動自在に貫通して両端部を前記シリンダ５５に固定した固定部材６５と前記内孔６３の底部との間に、コイルスプリング等のごとき弾性部材６７が弾装してある。
【００４８】
したがって、プランジャ５７は弾性部材６７の作用によって回転体５３の方向へ常に押圧付勢されており、このプランジャ５７の他端部は回転体５３の外周面に常に当接した状態に保持されるものである。
【００４９】
また、シリンダ５５は、ボルト等のごとき固定具を介して前記ポンプハウジング４１に固定したキャップブロック６９によってポンプハウジング４１に固定されている。このキャップブロック６９は吐出口７０を備えた構成であって、このキャップブロック６９とシリンダ５５との間には、一方向へのみの水の流れを許容するバルブ手段が設けられている。
【００５０】
すなわち、ポンプハウジング４１の前記プランジャ５７の一端側（開口端側）にはリング状の第１バルブシート７１が設けてある。そして、この第１バルブシート７１とプランジャ５７の開口端との間には、水の一方向（図５において上方向）への流出は許容するが逆方向への水の流れを阻止する作用をなす吸入バルブ７３がプランジャ５７の往復動に追従して移動自在に設けてあり、この吸入バルブ７３と前記第１バルブシート７１との間には、吸入バルブ７３をプランジャ５７側へ押圧付勢するコイルスプリング等のごとき弾性部材７５を介在してある。
【００５１】
さらに、シリンダ５５内には、キャップブロック６９によって位置を規制されたリング状の第２バルブシート７７が前記第１バルブシート７１から離隔して備えられており、この第１バルブシート７１と第２バルブシート７７との間には、吸入バルブ７３と同様の吐出バルブ７９が移動自在に内装されている。そして、吐出バルブ７９と前記第２バルブシート７７との間には、吐出バルブ７９を第１バルブシート７１へ押圧付勢するコイルスプリング等のごとき弾性部材８１が弾装されている。
【００５２】
このような構成において、モータ４３を駆動して回転軸４９を回転すると、偏心カム５１が一体的に回転するので、回転体５３は、図５において上下方向に変位することになる。プランジャ５７が、図５に示すように、最上昇された状態にあるとき、前記回転軸４９の回転により回転体５３が下方向へ変位すると、弾性部材６７の作用によってプランジャ５７が一体的に下方向へ移動することになる。
【００５３】
上述のように、プランジャ５７が図５において下方向へ移動すると、吸入バルブ７３も、弾性部材７５の作用によって一体的に下降する。吸入バルブ７３が下降すると、吸入バルブ７３と吐出バルブ７９との間の空間部（ポンプ室）８３が負圧になるので、水タンク１１内の水は、吸入口６１、プランジャ５７に設けた貫通孔５７Ｈ、内孔６３を介して前記ポンプ室８３内へ流入する。次に、回転軸４９の回転によりプランジャ５７が、図５において上方向へ移動すると、ポンプ室８３内の水は加圧され、弾性部材８１に抗して吐出バルブ７９を開くので、吐出口７０へ流出される。
【００５４】
すなわち、ポンプ装置１０においては、モータ４３の駆動によって回転軸４９を回転すると、この回転軸４９の回転に対応してプランジャ５７が往復動される。したがって、ポンプ装置１０からの水の吐出量は、プランジャ５７が往復動する穴の断面積×プランジャ５７のストローク×モータ４３の回転数でもって確定されるものである。よって、モータ４３の回転数を制御することにより、ポンプ装置１０からの水の吐出量を正確に制御することができるものである。
【００５５】
尚、本発明のポンプ装置１０を構成するポンプ手段１６としては、上記した構成のプランジャポンプに限るものではなく、例えばプランジャを対向する位置などの複数箇所に備えた構成として、両プランジャが交互に往復動する構成とすることも可能である。また、プランジャポンプに限らず、ダイヤフラム式ポンプ、歯車ポンプ等の容積型ポンプを使用することも可能である。すなわち種々の型式の容積型ポンプを使用することができることはいうまでもない。
【００５６】
以上詳しく説明したように、本発明に係る燃料電池システムにおける水供給用ポンプ装置１０は、改質器７に水を供給するポンプ手段１６と、ポンプ手段１６を駆動する駆動手段１２と、駆動手段１２を制御する制御手段１８と、により構成され、この制御手段１８は、駆動手段１２への制御入力値に対するポンプ手段１６からの実際の吐出量を規定する関数式を格納する例えばＥＥＰＲＯＭの記憶手段を備え、関数式に基づいて駆動手段１２の駆動制御を行うようにしている。そして、この関数式の係数及び定数が、各ポンプ装置毎に測定され、当該測定結果に基づいて設定されることにより、各ポンプの製造上のバラツキやさらには経年変化等によって生じ得る吐出量のバラツキを吸収することができるので、従来のポンプ装置のように、流量検出器によって検出されその検出結果に基づいて流量調整弁の弁開度を調整するようにした閉ループのフィードバック制御を不要としたのである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、天然ガス、都市ガス等の燃料ガスから水素ガスを作り出す水蒸気改質を行う際に、改質器に供給される燃料ガスの流量に対応して水（水蒸気）の供給量を高精度に制御することが必要な燃料電池システムにおける水供給用ポンプ装置及びその制御方法に関するものであり、産業上に利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の水ポンプ装置を備えた燃料電池システムの全体構成を示す。
【図２】本発明の水ポンプ装置の構成の例を示す
【図３】本発明の水ポンプ装置を構成するポンプ手段の入力制御値と水吐出量の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の水ポンプ装置の制御方法の例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の水ポンプ装置を構成するポンプ手段（プランジャポンプ）の主要部を示す断面説明図を示す。
【符号の説明】
【００５９】
１    燃料電池本体
３    電力変換装置
５    貯湯タンク
７    改質器
９    燃料ガス供給源
１０    ポンプ装置（全体）
１１    水タンク
１２    駆動手段（制御モータ）
１３    加熱手段
１６    ポンプ手段（ポンプ部）
１７    ガス流量センサ
１８    水ポンプ装置の制御手段
２１    流量調整弁
２２    蒸気発生部
３３    コントローラ
４１    ポンプ手段のハウジング
４９    回転軸
５１    偏心カム
５３    回転体
５５    シリンダ
５７    プランジャ
６１    吸入口
７０    吐出口
７３    吸入バルブ
７９    吐出バルブ
【図１】
2007120306.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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