(57)【要約】【課題】燃料電池システムの往復運動型ポンプの流量が変化しても、設置スペース、コストに影響しないで騒音を抑制する。【解決手段】周波数および電圧波形のデューティー比に依存して排出流量が変化する特性を有し、燃料電池システムに空気または燃料ガスである反応ガスを供給するための往復運動型ポンプと、往復運動型ポンプから燃料電池システムへ供給される反応ガスの流量を検知する流量計と、を備え、往復運動型ポンプに供給する電圧波形のデューティー比と往復運動型ポンプが動作する周波数とを制御し、燃料電池システムへ供給する反応ガスの流量を制御し、周波数を所定の周波数に固定し、かつ、デューティー比を変えてさせて、燃料電池システムに供給する反応ガスの流量を制御する場合に、デューティー比が所定の値以下になると、周波数を所定の周波数を変えるよう制御する、燃料電池システム。【選択図】図１
2013222606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気との電気化学反応により発電を行なう燃料電池と、
周波数および電圧波形のデューティー比に依存して排出流量が変化する特性を有し、前記燃料電池に空気または燃料ガスである反応ガスを供給するための往復運動型ポンプと、
前記往復運動型ポンプから前記燃料電池システムへ供給される前記反応ガスの流量を検知する流量計と、
前記往復運動型ポンプに供給する電圧波形のデューティー比と前記往復運動型ポンプが動作する周波数とを制御し、前記燃料電池システムへ供給する前記反応ガスの流量を制御する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記周波数を所定の周波数に固定し、かつ、前記デューティー比を変えてさせて、前記燃料電池システムに供給する前記反応ガスの流量を制御する場合に、前記デューティー比が所定の値以下になると、前記周波数を前記所定の周波数を変えるよう制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記電圧波形のデューティー比が所定の値以下になると、前記周波数を前記所定の周波数より増加させるよう制御する、燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定のデューティー比は、騒音抑制用に予め設定されるものである、請求項１又は２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システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新発電システムの一つとして、小容量分散発電が容易であり、ＮＯＸやＳＯＸなどの有害物質の発生がなく、しかも低騒音、または寒冷地方でも適用可能というメリットを有する燃料電池システムが考えられている。
【０００３】
こうした燃料電池システムは、例えば特許文献１などに開示されているように、燃料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する水素生成装置と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（気体）との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、この燃料電池に酸素（気体）を供給する、流体供給部と、燃料電池で発生した電気エネルギを商用電圧・周波数に変換する電力変換装置（インバータ）と、熱交換器を具備し燃料電池や改質装置で発生する熱を回収して他の排熱利用外部機器に熱を供給する熱回収装置とにより基本的に構成される。
【０００４】
また、上記基本的な構成において、特許文献２に開示されているように、例えば、燃料電池システムは、各々の構成要素を円滑に動作させるために、天然ガスを昇圧するブロアや、天然ガスの硫黄分を除去する脱硫器や、水素生成装置に水（蒸気）を送るポンプなどの補助機器（補器）を備える。また、例えば、燃料電池システムは、燃料電池の電解質膜を加湿するために燃料電池に水を送るポンプや、水中の不純物を除去する浄化装置や、水の電解質を除去するイオン交換装置や、燃料ガス、空気、水の流量を電磁弁で制御する制御部であるコントローラなどの補機を備える。これらの補器は、配管や配線によって物理的および電気的に接続されて、低温環境から高温環境、また長期間に渡り運転されている。
【０００５】
また、上記基本的な構成において、例えば特許文献３、４などに開示されているように、流体供給部には電磁式ダイヤフラムポンプを使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８４５６４号公報
【特許文献２】特開２００６−４６９９号公報
【特許文献３】特開２００５−２７３４７７号公報
【特許文献４】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】
【０００７】
このような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、燃料電池システムは排気や騒音などが発生するため屋外に設置されるが、設置スペースを最小限にするために薄型化が望まれており、また比較的高価な設備機器として扱われ、耐用年数は長期間（たとえば１０年間）使用できることが求められている。
【０００８】
ところで燃料電池システムは、１日の発電時間が短いと発電効率（燃料ガスのエネルギに対する発電エネルギの割合）は低下するので、発電効率を上昇させるためには家庭内での電力需要の範囲において、できるだけ１日の発電時間を長くすることが望まれるが、そ
うすると燃料電池システムの耐用年数が短くなる。また、燃料電池システムの効率を上げるためには、補機部品、特に電力消費量の多い気体供給部の消費電力を抑制することが望まれている。
【０００９】
さて、燃料電池システムは、外気を導入する気体供給部については、構造が簡単で、摺動部を持たず、耐久性に優れ、コストが安価なことから電磁式ダイヤフラムポンプが一般的によく使用されている。電磁式ダイヤフラムポンプは、交流電源の電源周波数でダイヤフラムの往復運動回数が決まり、また電磁石の消費電力でダイヤフラムの振幅量が決まる。そのため、発電量の変動に対応するある領域の流量に対して、電源周波数における電磁式ダイヤフラムポンプとの共振により騒音が大きくなる。また、流量性能を満足させるために電力消費が増加する。
【００１０】
よって、燃料電池システムが使用可能な発電範囲（たとえば２００Ｗ〜７５０Ｗ）のある領域（たとえば２００Ｗ〜４５０Ｗ）において共振すると騒音が大きくなり、使用者に対し不便を与えることになる。
【００１１】
したがって、使用者の不便さを解消するために、燃料電池システムの発電可能範囲において騒音を抑制した気体供給部を燃料電池システムに搭載することが不可欠となっている。
【００１２】
上記問題を解決する方法として、電磁式ダイヤフラムポンプをカバー等で覆うことにより気体供給部からの騒音を抑制する方法がある。このようにすれば、気体供給部から発生する騒音を遮音することができるので、気体供給部の騒音を抑制することができる。
【００１３】
しかし、上記の方法では電磁式ダイヤフラムポンプ（本発明の往復運動型ポンプに相当する）の周囲をカバーで覆うのでスペースを要し、またカバーの部品が増え、コストアップするという問題がある。そのため、燃料電池システムの設置スペースが大きくなり、また燃料電池システムの価格が上がるなど、消費者に弊害を与えることとなる。
【００１４】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、流量が変化したときの往復運動型ポンプのストローク変化の脈動で発生した振幅変化による共振・共鳴による騒音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する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電を行なう燃料電池と、周波数および電圧波形のデューティー比に依存して排出流量が変化する特性を有し、前記燃料電池システムに空気または燃料ガスである反応ガスを供給するための往復運動型ポンプと、前記往復運動型ポンプから前記燃料電池システムへ供給される前記反応ガスの流量を検知する流量計と、前記往復運動型ポンプに供給する電圧波形のデューティー比と前記往復運動型ポンプが動作する周波数とを制御し、前記燃料電池システムへ供給する前記反応ガスの流量を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記周波数を所定の周波数に固定し、かつ、前記デューティー比を変えてさせて、前記燃料電池システムに供給する前記反応ガスの流量を制御する場合に、前記デューティー比が所定の値以下になると、前記周波数を前記所定の周波数を変えるよう制御するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、前記周波数を増加又は低下させることにより、往復運動型ポンプと他の部材との共振点をずらし、騒音の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる流体供給システムを示す概略構成図
【図２】同実施の形態１に係わる電磁式ダイヤフラムポンプの詳細構成図
【図３】同実施の形態１に係わる流体供給システムの特性図
【図４】同実施の形態１に係わる流体供給システムの特性図
【図５】同実施の形態１に係わる流体供給システムのフローチャート
【図６】従来技術の一例を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電を行なう燃料電池と、周波数および電圧波形のデューティー比に依存して排出流量が変化する特性を有し、前記燃料電池システムに空気または燃料ガスである反応ガスを供給するための往復運動型ポンプと、前記往復運動型ポンプから前記燃料電池システムへ供給される前記反応ガスの流量を検知する流量計と、前記往復運動型ポンプに供給する電圧波形のデューティー比と前記往復運動型ポンプが動作する周波数とを制御し、前記燃料電池システムへ供給する前記反応ガスの流量を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記周波数を所定の周波数に固定し、かつ、前記デューティー比を変えて、前記燃料電池システムに供給する前記反応ガスの流量を制御する場合に、前記デューティー比が所定の値以下になると、前記周波数を前記所定の周波数を変えるよう制御するものである。
【００１９】
この構成により、発電量の変動に対応するある領域の流量に対して、電源周波数における往復運動型ポンプとの共振により騒音が大きくなっても、往復運動型ポンプに供給する周波数を増加または減少させるよう変動して運転し、前記往復運動型ポンプの共振点をずらすことができるため、簡単な構成で往復運動型ポンプの騒音の上昇を抑制することができる。また、騒音の上昇を抑制するためにコスト及び設置スペースが増大することを抑制できる。
【００２０】
また、制御器は、前記電圧波形のデューティー比が所定の値以下になると、前記周波数を前記所定の周波数より増加させるよう制御してもよい。
【００２１】
この構成により、簡単な構成でありながら、周波数を増加することにより、前記往復運動型ポンプに供給する実効電圧をより低下させることができ、消費電力を低減できる。
【００２２】
また、所定のデューティー比は、騒音抑制用に予め設定されるものであってもよい。
【００２３】
この構成により、簡単な構成でありながら、前記往復運動型ポンプに供給するデューティー比を騒音抑制用に予め設定されるものとしたので、発電量の変動に対応する各領域の流量に対して、それぞれ周波数を設定することができ、より確実に騒音の上昇を抑制することができる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わる燃料電池システムを示す概略構成図、図２は同実施の形態１に係わる燃料電池システムを示す詳細構成図、図３、４は同実施の形態１に係わる燃料電池システムの特性図である。図１において、燃料電池システム１は、水素製造用原料２を用いて発電を行うものであり、例えば家庭用の電力源として採用される燃料電池システムである。ここでは、水素製造用原料としては、水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、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を用いることができる。工業用あるいは民生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を挙げることができる。また、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために、一酸化炭素と酸素を反応させる選択酸化反応を行う。
【００２６】
流体３は、酸化剤としての空気を使用し、筺体４内に導入する外気吸込み口５から導入される。外気吸込み口５から導入した流体３を燃料電池７及び選択酸化空気に供給する流路６と、流路６に配置された往復運動型ポンプ８と、流量計９と外気吸込み口５から導入した流体３の異物を捕捉するフィルタ１０が配設されている。第２の流路２１には、第２の流量計２２と燃料昇圧ブロワ１８が配置される。水素生成装置１７は、改質部を有し、燃料昇圧ブロワ１８で圧送した炭化水素ガス（例えば、天然ガスやプロパンガスなど）である水素製造用原料を、改質反応（例えば、水蒸気改質反応や部部酸化改質反応など）で改質し、水素を含む改質ガスを生成する。
【００２７】
また、燃料電池７は複数の電池セルが積み重ねられて構成され、電池セルのアノード極１５とカソード極１６とこれら電極の間に配置された固体高分子である電解質とを有している。アノード極１５には水素生成装置１７の改質部で改質された改質ガスを導入させ、カソード極１６には流体３を往復運動型ポンプ８により導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われる。燃料電池７からの直流電力を交流電力に変換するインバータ１９と、往復運動型ポンプ８の電源周波数を可変させる制御部２０を有する。
【００２８】
図２において、往復運動型ポンプ８の一例の電磁式ダイヤフラムポンプは、電磁石１１とロッド１２に固着した永久磁石１４の相互作用によりロッド１２が往復運動するが、ロッド１２の先端に取り付けたダイヤフラムゴム１３の往復運動により流体３を圧送する。
【００２９】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００３０】
図１、図２において燃料電池システム１は、発電工程において酸化剤は、発電量に応じて流量計９で検知した空気流量値が制御部２０に入力され、所定の流量になるように往復運動型ポンプ８に供給する周波数（以後、供給周波数と呼ぶ）と往復運動型ポンプ８に供給する電圧（以後、供給電圧と呼ぶ）を出力している。
【００３１】
本実施の形態では、流体を流すための流路６と、流路６に配置された往復運動型ポンプ８と、流路６を流れるガスの流量を検知する流量計９と、往復運動型ポンプ８に供給する周波数と電圧を制御する制御部２０とを備える。制御部２０は、往復運動型ポンプ８への供給電圧が所定の電圧になった場合に、往復運動型ポンプ８の供給周波数を増加または低下して制御する。これにより、往復運動型ポンプ８の流量が変化したときの往復運動型ポンプのダイヤフラムのストローク変化の脈動で発生した振幅変化による共振・共鳴による騒音を抑制することが可能となる。図３に示すように、往復運動型ポンプ８の供給周波数を制御して、往復運動型ポンプ８の共振点をずらして運転することができるので、コスト、設置スペースに影響を及ぼすことなく往復運動型ポンプ８の騒音を低減することができる。
【００３２】
また、制御部２０は、往復運動型ポンプ８への供給電圧が所定の電圧になった場合に、往復運動型ポンプ８の供給周波数を増加して制御する。これにより、往復運動型ポンプ８の流量が変化したときの往復運動型ポンプのダイヤフラムのストローク変化の脈動で発生した振幅変化による共振・共鳴による騒音を抑制し、且つ消費電力を低減することが可能
となる。図３、図４に示すように、往復運動型ポンプ８の供給周波数を制御して、往復運動型ポンプ８の共振点をずらして運転することができるので、コスト、設置スペースに影響を及ぼすことなく往復運動型ポンプ８の騒音および消費電力を低減することができる。
【００３３】
図５は、本発明の実施の形態１に係わる燃料電池システムのフローチャートである。
【００３４】
図５において、まず、ＳＴＥＰ１で定格運転中、たとえば往復運動型ポンプ８の供給周波数を所定の周波数の４４Ｈｚで運転する。次にＳＴＥＰ２で往復運動型ポンプ８から吐出される空気を流量計９で検知し、流量ごとに設定したデューティー比で往復運動型ポンプを運転し、ＳＴＥＰ３に移り、流量計の検知流量≦所定の流量ならばＳＴＥＰ４に移り、往復運動型ポンプ８のデューティー比を減少させ、さらにＳＴＥＰ５で往復運動型ポンプ８の供給周波数を所定値（４４Ｈｚ）から増加（５０Ｈｚ）または低下（４０Ｈｚ）して運転する。また、ＳＴＥＰ３で流量計の検知流量≦所定の流量でなければ、ＳＴＥＰ２に戻る。
【００３５】
このように本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、発電量などの変動によるある領域の流量に対して電源周波数における往復運動型ポンプとの共振により騒音が大きくなっても、往復運動型ポンプに供給する周波数を増加または減少させるよう変動して運転し、往復運動型ポンプの共振点をずらすことができるので、コスト、設置スペースに影響を及ぼすことなく往復運動型ポンプの騒音の上昇を抑制することができる。
【００３６】
往復運動型ポンプ８へのデューティー比が所定のデューティー比になった場合に、往復運動型ポンプ８の供給周波数を増加または減少して制御する。これにより、往復運動型ポンプ８の流量が変化したときの往復運動型ポンプのダイヤフラムのストローク変化の脈動で発生した振幅変化による共振・共鳴による騒音を抑制し、且つ消費電力を低減することが可能となる。図３、図４に示すように、往復運動型ポンプ８の供給周波数を制御して、往復運動型ポンプ８の共振点をずらして運転することができるので、コスト、設置スペースに影響を及ぼすことなく往復運動型ポンプ８の騒音および消費電力を低減することができる。
【００３７】
なお、本発明は、往復運動型ポンプ８として電磁式ダイヤフラムポンプを用いたが、これに限定されず、往復運動型ポンプ８として、例えば、プランジャーポンプ及びダイヤフラム式ポンプなどを用いることができる。また、往復運動型ポンプ８は、燃料を供給する燃料昇圧ブロワ１８として用いる構成であってもよい。
【００３８】
なお、本実施の形態では、燃料電池７として高分子電解質形燃料電池を用いたが、これに限定されず、燃料電池７として固体酸化物形燃料電池を用いてもよい。燃料電池７として固体酸化物形燃料電池を用いる場合、選択酸化反応を行わない構成であってもよい。また、水素生成装置を備えない燃料電池システムであってもよい。
【００３９】
以上のように本発明にかかる燃料電池システムは、設置スペースやコスト及ぼす影響を抑制し、流量が変化したときの往復運動型ポンプのダイヤフラムのストローク変化の脈動で発生した振幅変化による共振・共鳴による騒音を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明にかかる燃料電池システムは、定置用燃料電池システム、燃料電池コージェネレーションシステム、燃料電池自動車等の燃料電池システムなどに適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  燃料電池システム
２  水素製造用原料
３  流体
４  筺体
５  外気吸込み口
６  流路
７  燃料電池
８  往復運動型ポンプ
９  流量計
１０  フィルタ
１１  電磁石
１２  ロッド
１３  ダイヤフラムゴム
１４  永久磁石
１５  アノード極
１６  カソード極
１７  水素生成装置
１８  燃料昇圧ブロワ
１９  インバータ
２０  制御部
２１  第２の流路
２２  第２の流量計
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図６】
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