JP2020017507A - 燃料電池装置、制御装置および制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】発電運転停止の回数の増加を抑制して、効率よく発電運転を行なうことのできる燃料電池装置、制御装置および制御プログラムを提供する。【解決手段】本開示の燃料電池装置は、燃料電池モジュールと、水タンクと、水タンクに配設された水位センサと、制御装置とを備える。制御装置は、発電運転を行なっていない場合に、以下２つの、水位が第一水位より低い水タンクに水を供給する第一給水制御と、第一給水制御を開始してから第一時間が経過した時に第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御とを、実行可能である。また、制御装置は、発電運転を行なっている場合に、以下２つの、水位が第二水位より低い水タンクに水を供給する第二給水制御と、第二給水制御を開始してから第二時間が経過した時に第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御とを、実行可能である。なお、前記第二時間は、前記第一時間より長い。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池装置、制御装置および制御プログラムに関する。

燃料電池装置は、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常は空気）とを用いて発電を行なうとともに、発電に伴って発生する排熱を利用して生成した温水を、蓄熱タンク（貯湯タンクともいう）に蓄積し、温水の需要に対する供給を行なう、コジェネレーションシステムの形態をとるものが知られている。

このような燃料電池装置に関し、特許文献１には、温水の貯湯槽と、貯湯槽の水位を検知する水位検知手段と、貯湯槽に外部から水を給水する給水経路と、給水経路の途中に設けられた開閉弁と、を有するシステムにおいて、開閉弁を開いてから所定時間が経過しても水位検知手段が所定水位を検知しない場合に、貯湯槽の水張りが異常であることを報知するか、あるいは、貯湯槽に繋がる給水経路の開閉弁を閉じるか、のいずれかの制御を行なうコージェネレーションシステムが開示されている。

特許第３８３６７６２号公報

しかしながら、引用文献１に記載のシステムにおいては、異常と判断すべきでないものまでを異常と判断して報知することが起こり得る。この異常報知にもとづいて発電運転を停止してしまうことで、発電効率が低下するという問題があった。

本開示の目的は、発電運転の停止を抑制して、効率よく発電運転を行なうことのできる燃料電池装置、制御装置および制御プログラムを提供することである。

本開示の燃料電池装置は、燃料電池と、
該燃料電池の運転に用いる水を貯留する水タンクと、
前記水タンクの所定位置に配設された少なくとも一つの水位センサと、
前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の発電運転を行なっていない場合において、前記水タンクの水位が所定の第一水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第一給水制御を実行可能であり、
該第一給水制御を開始してから第一時間が経過した場合に、前記第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御を実行可能であり、
前記燃料電池の発電運転を行なっている場合において、前記水タンクの水位が所定の第二水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第二給水制御を実行可能であり、
該第二給水制御を開始してから第二時間が経過した場合に、前記第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御を実行可能であり、
前記第二時間は前記第一時間より長いことを特徴とする。

また、本開示の制御装置は、燃料電池を備える燃料電池装置を制御する制御装置であって、
前記燃料電池は、
燃料電池の運転に用いる水を貯留する水タンクと、
前記水タンクの所定位置に配設された少なくとも一つの水位センサと、を備え、
前記燃料電池の発電運転を行なっていない場合において、前記水タンクの水位が所定の第一水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第一給水制御と、
該第一給水制御を開始してから第一時間が経過した場合に、前記第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御と、
前記燃料電池の発電運転を行なっている場合において、前記水タンクの水位が所定の第二水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第二給水制御と、
該第二給水制御を開始してから第二時間が経過した場合に、前記第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御と、を含み、
前記第一異常検知制御と前記第二異常検知制御とを実行した場合において、前記第二時間は前記第一時間より長い。

また、本開示の制御プログラムは、
燃料電池と該燃料電池の運転に用いる水を貯留する水タンクとを備える燃料電池装置を制御する制御装置に、
前記燃料電池の発電運転を行なっていない場合において、前記水タンクの水位が所定の第一水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第一給水制御ステップと、
該第一給水制御を開始してから第一時間が経過した場合に、前記第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御ステップと、
前記燃料電池の発電運転を行なっている場合において、前記水タンクの水位が所定の第二水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第二給水制御ステップと、
該第二給水制御を開始してから第二時間が経過した場合に、前記第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御ステップと、
を実行させる制御プログラムであって、
前記第一異常検知制御と前記第二異常検知制御とを実行した場合において、前記第二時間は前記第一時間より長い。

本開示の燃料電池装置、制御装置および制御プログラムによれば、効率よく発電運転を行なうことができる。

実施形態の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。 燃料電池装置の蓄熱タンクの構成を示す図である。 燃料電池装置の改質水タンクの構成を示す図である。 水タンクの第一給水制御のフローチャートである。 蓄熱タンクの第二給水制御のフローチャートである。 改質水タンクの第二給水制御のフローチャートである。

以下、図面を参考にしながら、実施形態を詳細に説明する。
図１は、実施形態の燃料電池装置の構成の概略を示すブロック図であり、図２は、燃料電池装置の蓄熱タンク４の構成を示す図である。

図１に示す燃料電池装置は、収納容器内に収容されたセルスタック１１および改質器１２を含む燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１に接続された熱交換器２と、燃料電池モジュール１から排出される高温度の排ガスの熱および熱エネルギーを熱交換により回収し、温水として貯留する蓄熱タンク４と、排ガス中に含まれる水分が熱交換により凝縮して生成した凝縮水を、原燃料の水蒸気改質用の水（以下、改質水）として貯留する改質水タンク３とを備える。

また、燃料電池装置は、原燃料ポンプＢ１および原燃料流路等を含む原燃料供給装置と、空気ブロアＢ２および酸素含有ガス流路等を含む酸素含有ガス供給装置を備える。さらに、燃料電池装置は、凝縮水流路Ｆ、前述の改質水タンク３、改質水供給ポンプＰ１および改質水流路Ｒを含む改質水供給装置と、先に述べた熱交換器２、蓄熱タンク４、ラジエータ５、熱媒循環ポンプＰ２とこれらを環状に接続する熱媒循環流路Ｃとからなる熱媒循環装置を備える。

そして、給水装置として、電磁開閉式の給水弁Ｖ１を含み蓄熱タンク４に外部からの水を供給する水流路Ｊと、同じく電磁開閉式の給水弁Ｖ２を含み改質水タンク３に水を供給する水流路Ｋと、を備える。なお、これら燃料電池モジュール１と、各補機類および流路・配管等は、図示しない外装ケース等の筐体に収容される。

そして、実施形態の燃料電池装置は、前述の燃料電池モジュール１および各補機の動作を制御する手段として、制御装置２０、記憶装置３０、パワーコンディショナ（図示省略）等を備える。

制御装置２０は、以下に述べるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、少なくとも一つのプロセッサを含む。

種々の実施形態によれば、少なくとも一つのプロセッサは、単一の集積回路として、または、複数の通信可能に接続された集積回路および／もしくはディスクリート回路として、実行されてもよい。少なくとも一つのプロセッサは、種々の既知の技術にしたがって実行されることが可能である。

一つの実施形態において、プロセッサは、たとえば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって一以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、一以上の回路またはユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、一以上のデータ計算手続きまたは処理を実行するように構成されたファームウェア、たとえばディスクリートロジックコンポーネントであってもよい。

種々の実施形態によれば、プロセッサは、一以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理部、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらのデバイスもしくは構成の任意の組み合わせ、または、他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせ、を含み、以下に説明される機能を実行してもよい。

制御装置２０は、記憶装置３０と、パワーコンディショナと、燃料電池モジュール１と、原燃料供給装置と、酸素含有ガス供給装置と、水供給用装置、各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置の全体を制御および管理する。制御装置２０は、記憶装置３０に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置の各部にかかる、種々の機能を実現する。

制御装置２０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置２０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置２０が行なう実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。なお、実施形態において、制御装置２０は特に、外部水の給水または補水を制御する。また、各図では、制御装置２０および記憶装置３０と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を省略している。

記憶装置３０は、プログラムおよびデータを記憶できる。記憶装置３０は、処理結果を一時的に記憶する作業領域としても利用してもよい。記憶装置３０は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、および磁気記憶媒体等の任意の非一時的（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）な記憶媒体を含んでよい。また、記憶装置３０は、複数の種類の記憶媒体を含んでいてもよい。記憶装置３０は、メモリカード、光ディスク、または光磁気ディスク等の可搬の記憶媒体と、記憶の読み取り装置との組合せを含んでいてもよい。記憶装置３０は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでいてもよい。

また、燃料電池モジュール１に繋がる熱交換器２では、低温度の熱媒（この例では水）と高温度の排ガスとの間で熱交換が行なわれ、排ガスの持つ熱および熱エネルギーが、温水として蓄熱タンク４に回収される。すなわち、熱交換器２では、排ガスは冷却され、含まれる水分または水蒸気は、凝縮して凝縮水となる。冷却された排ガスは、気液分離器により分離され、排気流路Ｅを通って、ガス排気口から外部に排出される。一方、気液分離器で分離された凝縮水は、凝縮水流路Ｆを流下して改質水タンク３に貯留される。

蓄熱タンク４に貯留された熱媒は、熱媒循環ポンプＰ２の圧送により、熱媒循環流路Ｃ内を順に循環する。すなわち、循環する熱媒は、蓄熱タンク４からラジエータ５に送られて冷却された後、熱交換器２に送られる。熱交換器２において、熱媒は、排ガスと熱交換より加熱され、温度が上昇した熱媒（水）は、蓄熱タンク４に還流して貯留される。

燃料電池装置の蓄熱タンク４は、図２に示すように、その内部に貯留された熱媒の貯水量の目安となる液面（上水面）高さを測定するために、一つ以上複数のセンサからなる水位（液面）検出装置を備える。なお、水位検出装置は、図示したような水接触式の水位センサを、所定の水位測定位置（高さ）に複数個設置する場合のほか、一つのセンサで液面高さの変動を計測可能な、超音波式または光学式等の非接触式の液面センサを用いてもよい。

実施形態の蓄熱タンク４の場合、下方の低水位位置から順に、接触式の低水位センサＬ（以下、Ｌセンサともいう）、高水位センサＨ（以下、Ｈセンサともいう）が配設されている。

また、蓄熱タンク４は、組み立て直後あるいは製造直後は、熱媒である水は注水されておらず、空（から）の状態である。そして、初回の試運転またはユーザー（客先）の所定設置場所等に設置されて発電運転を始める前に、前述の高水位センサＨ（Ｈセンサ）位置まで、水道水等が注水されて、使用に供される。以降の説明では、このように発電運転開始前に、蓄熱タンク４へ水道水を注水することを「水張り」とよぶ。

そして、発電運転を開始した後、蓄熱タンク４の水位が低水位センサＬ（Ｌセンサ）位置を下回ったことが検知された場合にも、高水位センサＨ（Ｈセンサ）位置まで水道水が注水される。以降の説明においては、このように発電運転中に不足した熱媒を補うために蓄熱タンク４へ水道水を注水することを「補水」とよぶ。

図４および図５は、前記構成の蓄熱タンク４に注水する給水制御を説明するフローチャートであり、図４のフローは燃料電池が発電運転を始める前の段階、図５のフローは発電運転を開始した後の段階を示す。なお、各フローチャート内においては、判断制御における「成」（フラグ１）を［Ｙｅｓ］で、「否」（フラグ０ゼロ）を［Ｎｏ］で表している。

以下、これらのフローに沿って、蓄熱タンク４の給水制御について説明する。なお、「水張り」と「補水」とで、水位センサや給水装置の動作等に特に差があるわけではない。また、以下の蓄熱タンク４への給水（図４および図５）のフローにおいて、第一水位および第二水位は図１、図２におけるＬセンサの位置（図示高さ）であり、第三水位および第四水位は図１、図２におけるＨセンサの位置であるものとする。

図４に示す蓄熱タンク４の第一給水制御のフローにおいては、まず、ステップ０（以下「ステップ」を「Ｓ」と略称する。以降のステップも同様。）〔Ｓ０〕として、制御装置２０は、蓄熱タンク４の現状をチェックし、初期化する。すなわち、給水制御のスタート前に、低水位センサＬ（Ｌセンサ）、高水位センサＨ（Ｈセンサ）のいずれもが、水を検出しておらず、水タンク内がほぼ空（から）の水張り前の状態であることを確認する。

〔Ｓ０〕において、水張り前の状態であることが確認されると、制御装置２０は、第一給水制御（水張り制御）を実行する。なお、第一給水制御の実行とは、〔Ｓ１〕の開始から〔Ｓ６〕の終了まで至る、一連の制御を完了することを意味する。

〔Ｓ１〕において第一給水制御を開始すると、制御装置２０は、まず、〔Ｓ２〕において、外部水（この場合は水道水）導入用の止水栓である給水弁Ｖ１を開放し、タンクへの給水を開始する。

ついで、制御装置２０は、給水による水位の上昇を確認するために、〔Ｓ３〕において、第一水位の位置に配設されたＬセンサが水を検知しているか否か、すなわち、蓄熱タンク４内の水位（上水面）が、この第一水位まで上昇しているか否かを確認する。

〔Ｓ３〕において、第一水位のＬセンサが水を検知している［Ｙｅｓ］の場合、制御装置２０は、第一水位より上側に設定された第三水位（Ｈセンサ）の水検知〔Ｓ４〕に移行する。一方、〔Ｓ３〕において、第一水位のＬセンサが水を検知していない［Ｎｏ］の場合、制御装置２０は、給水弁Ｖ１の開放時間、すなわち給水開始からの経過時間を確認する〔Ｓ７〕に移行する。

〔Ｓ７〕において、制御装置２０は、外部水の導入（水張り）を開始してからの経過時間が、予め定められた第一時間（Ｔ１）を超過しているか否かを確認する。そして、給水開始からの経過時間が第一時間（Ｔ１）以下、すなわち、給水経過時間が短く、〔Ｓ７〕が［Ｎｏ］の場合、制御装置２０は、〔Ｓ３〕における第一水位の水検知の確認と〔Ｓ７〕における給水経過時間の確認とのループ制御を、どちらかの条件が変更されるまで続ける。

ここで、第一水位のＬセンサが水を検知して、〔Ｓ３〕が［Ｙｅｓ］になった場合、先に述べたように、制御装置２０は、第三水位のＨセンサの水検知〔Ｓ４〕に移行する。

一方、第一水位のＬセンサが水を検知せず、〔Ｓ３〕がＮｏのまま、〔Ｓ７〕において給水経過時間が第一時間（Ｔ１）を超過した（Ｓ７が［Ｙｅｓ］となった）場合、制御装置２０は、〔Ｓ８〕において、給水系またはセンサ等に関連する「第一異常」があると判断して、警報を発報して元水源の確認を促すか、あるいは、給水弁Ｖ１を閉鎖し給水を停止して待機する、第一異常検知制御を実行する。

なお、第一異常検知制御の実行とは、〔Ｓ２〕の開弁から〔Ｓ３〕，〔Ｓ７〕を経て〔Ｓ８〕の異常検知まで至る、一連の制御を完了することを意味する。また、蓄熱タンク４への給水を行なう実施形態において、第一時間Ｔ１の具体的な時間間隔としては、たとえば２０分間をあげることができる。

つぎに、前述の第一時間（Ｔ１）内に、蓄熱タンク４内の水位が第一水位（Ｌセンサ）を上回った場合、制御装置２０は、第一水位より上側の、第三水位のＨセンサの水検知を確認する〔Ｓ４〕。

なお、この〔Ｓ４〕およびその判断の［Ｎｏ］に繋がる〔Ｓ９〕においても、前述の〔Ｓ３〕および〔Ｓ７〕からなるループと同様の、〔Ｓ４〕における第三水位の水検知の確認と〔Ｓ９〕における経過時間の確認とのループ制御が、どちらかの条件が変更されるまで続けられる。

すなわち、第三水位のＨセンサが水を検知した、〔Ｓ４〕が［Ｙｅｓ］の場合、制御装置２０は、給水弁Ｖ１を閉じてタンクへの給水を停止する〔Ｓ５〕に移行する。

一方、第三水位のＨセンサが水を検知しないまま、前述の第一水位のＬセンサが水を検知して（Ｓ３がＹｅｓになって）からの給水時間が、予め定められた第四時間（Ｔ４）を超過して、〔Ｓ９〕が［Ｙｅｓ］となった場合、制御装置２０は、警報を発報して元水源の確認を促すか、あるいは、給水弁Ｖ１を閉鎖し給水を停止して待機する。蓄熱タンク４への給水を行なう実施形態において、第四時間Ｔ４は、たとえば１２０分間であってもよく、また後記で説明する第二時間（Ｔ２）と同じ時間であってもよい。

そして、前述の第四時間（Ｔ４）内に、蓄熱タンク４内の水位が第三水位（Ｈセンサ）を上回った場合、制御装置２０は、外部水（水道水）導入用の給水弁Ｖ１を閉鎖して、タンクへの給水を停止〔Ｓ５〕し、第一給水制御を終了〔Ｓ６〕する。

なお、図４のフローチャートに記載のように、前述の給水弁Ｖ１の閉鎖および給水停止〔Ｓ５〕または第一給水制御の正常な終了〔Ｓ６〕を、合図またはトリガーとして、燃料電池モジュール１の発電運転の準備動作を始めるか、あるいは、運転準備モードに移行してもよい。

その場合、制御装置２０に含まれる記憶装置３０は、前述の給水弁Ｖ１の閉鎖および給水停止〔Ｓ５〕が実行された日時と時刻、または、第一給水制御（水張り制御）の実行が正常に終了〔Ｓ６〕した日時と時刻を、前回の「給水弁Ｖ１の閉鎖時間」または前回の「給水制御の終了時間」として、記憶および記録（保存）する。これら前回の、給水弁Ｖ１の閉鎖時間または給水制御の終了時間は、後記の「第三異常検知制御」で使用する。

つぎに、図５に示す、蓄熱タンク４の第二給水制御（補水制御）について説明する。なお、先にも述べたが、図５の蓄熱タンク４への給水フローにおいて、第二水位は図２に示すＬセンサの位置（高さ）であり、第四水位は図２に示すＨセンサの位置であるものとする。

制御装置２０は、まず〔Ｓ１１〕において、第二水位のＬセンサが水を検知しているか否かを確認する。〔Ｓ１１〕で［Ｙｅｓ］の場合、つまり第二水位のＬセンサが水を検知している場合は、〔Ｓ１１〕のループを繰り返して待機する。ここで、第二水位のＬセンサによる水の検知が途切れ、〔Ｓ１１〕が［Ｎｏ］になった場合、制御装置２０は、第二給水制御（補水制御）を実行する。なお、第二給水制御の実行とは、〔Ｓ１１〕の開始から〔Ｓ１７〕の終了まで至る、一連の制御を正常に完了することを意味する。また、第二給水制御は、後記で説明する第二異常検知制御および第三異常検知制御を含む。

〔Ｓ１２〕において第二給水制御を開始すると、制御装置２０は、まず、〔Ｓ１３〕において、前回の「給水弁Ｖ１の閉鎖時間」として、先に記憶装置３０に記憶および記録（保存）された、図４のフローの第一給水制御（水張り制御）における給水弁Ｖ１が閉じられた日時時刻（〔Ｓ５〕の完了時刻）からの経過時間を確認する。これは、水の自然蒸発以外に、熱媒循環装置を構成する熱交換器２、蓄熱タンク４、ラジエータ５、熱媒循環ポンプＰ２等からの漏水がないか否かを確認するためである。

なお、〔Ｓ１３〕を始めて経由する際は、経過時間のカウントを開始する初期日時として、前述の図４のフローにおける弁の閉鎖〔Ｓ５〕が実行された日時と時刻、または、第一給水制御（水張り制御）の実行が正常に終了〔Ｓ６〕した日時と時刻のうち、どちらを基準としてもよい。

また、図５のフローにおいて、〔Ｓ１３〕の経由が二回目以降の場合は、後記する〔Ｓ１６〕において記録更新または上書き保存された「前回の給水弁Ｖ１の閉鎖時間」、または、後記する〔Ｓ１７〕において記録更新または上書き保存された「前回の給水制御が終了した時間」を使用する。この点は、後記で説明する。

ここで、先の〔Ｓ１３〕（初回および二回目以降の経由を含む）において、〔Ｓ１１〕における第二水位のＬセンサの水の不検知Ｎｏが、「前回の給水弁Ｖ１の閉鎖時間」から予め定められた第三時間（Ｔ３）経過せずに早期に発生した［Ｎｏ］の場合、制御装置２０は、〔Ｓ１８〕において、水の自然蒸発以外の、熱媒循環装置からの漏水のおそれがあると判断して、「第三異常」の警報を発報して確認を促すか、あるいは、燃料電池モジュール１自体の発電運転を停止する、第三異常検知制御を実行する。

一方、先の〔Ｓ１３〕において、〔Ｓ１１〕の第二水位のＬセンサの水の不検知Ｎｏが第三時間（Ｔ３）を超えて発生した［Ｙｅｓ］の場合、制御装置２０は、〔Ｓ１４〕において、外部水導入用の給水弁Ｖ１を開放し、蓄熱タンク４への補水を開始して、第二給水制御の実行を継続する。

なお、第三異常検知制御の実行とは、〔Ｓ１１〕における第二水位センサの水の不検出から〔Ｓ１２〕，〔Ｓ１３〕を経て〔Ｓ１８〕の異常検知まで至る、一連の制御を完了することを意味する。また、蓄熱タンク４への補水を行なう、本実施形態における第三時間Ｔ３の具体的な時間間隔（期間）として、たとえば７２０時間（３０日間）をあげることができる。

ついで、制御装置２０は、補水による水位の上昇を確認するために、先に述べた第一給水制御（水張り制御）と同様、〔Ｓ１５〕において、第四水位の位置に配設されたＨセンサが水を検知しているか否か、すなわち、蓄熱タンク４内の水位（上水面）が、この第四水位まで上昇しているか否かを確認する。

〔Ｓ１５〕において、第四水位のＨセンサが水を検知している［Ｙｅｓ］の場合、制御装置２０は、〔Ｓ１６〕において、給水弁Ｖ１を閉じてタンクへの給水を停止し、先にも述べたように、前回の「給水弁Ｖ１が閉鎖された時間」または、前回の給水制御が正常に終了した時間として、記憶装置３０に記憶および上書き保存（記録を更新）し、第二給水制御を終了する〔Ｓ１７〕。

一方、〔Ｓ１５〕において、第四水位のＨセンサが水を検知していない［Ｎｏ］の場合、制御装置２０は、先に述べた第一異常制御と同様、給水弁Ｖ１の開放時間、すなわち補水開始からの経過時間を確認する〔Ｓ１９〕に移行する。

〔Ｓ１９〕において、制御装置２０は、外部水の導入（補水）を開始してからの経過時間が、予め定められた第二時間（Ｔ２）を超過していなか否かを確認する。そして、補水開始からの経過時間が第二時間（Ｔ２）以下、すなわち、補水経過時間が短く、〔Ｓ１９〕が［Ｎｏ］の場合、制御装置２０は、〔Ｓ１５〕における第四水位の水検知の確認と〔Ｓ１９〕における補水経過時間の確認とのループ制御を、どちらかの条件が変更されるまで続ける。

ここで、第四水位のＨセンサが水を検知して、〔Ｓ１５〕が［Ｙｅｓ］になった場合、先にも述べたように、制御装置２０は、補水弁Ｖ１を閉じ、その閉鎖時刻を記憶（上書き保存）して、第二給水制御の終了〔Ｓ１７〕に移行する。

一方、第四水位のＨセンサが水を検知せず、〔Ｓ１５〕がＮｏのまま、〔Ｓ１９〕において補水経過時間が第二時間（Ｔ２）を超過した（Ｓ１９が［Ｙｅｓ］となった）場合、制御装置２０は、〔Ｓ２０〕において、給水系またはセンサ等に関連する「第二異常」が発生したと判断して、警報を発報して確認を促すか、あるいは、給水弁Ｖ１を閉鎖し補水を停止して待機する、第二異常検知制御を実行する。

なお、第二異常検知制御の実行とは、〔Ｓ１４〕の開弁から〔Ｓ１５〕，〔Ｓ１９〕を経て〔Ｓ２０〕の異常検知まで至る、一連の制御を完了することを意味する。また、蓄熱タンク４への補水を行なう実施形態において、第二時間Ｔ２は、先に述べた第一時間Ｔ１より長い時間間隔に設定されている。本実施形態における第二時間Ｔ２の具体的な時間間隔としては、たとえば１２０分間をあげることができるが、第一時間Ｔ１より長い時間であれば、特に制限はない。

また、第二異常検知制御の実行により給水弁Ｖ１を閉鎖し補水を停止した場合も、制御装置２０に含まれる記憶装置３０は、前述の第二異常検知制御〔Ｓ２０〕が実行された日時と時刻を、前回の「給水弁Ｖ１が閉鎖された時間」または前回の「給水制御が終了した時間」の新たな値として、記憶または上書き記録（上書き保存）してもよい。

これら第二給水制御の正常な終了〔Ｓ１７〕による弁閉鎖、第二異常検知制御の実行〔Ｓ２０〕による弁閉鎖、または、第三異常検知制御の実行〔Ｓ１８〕による弁閉鎖、のいずれが生じた場合でも、先に述べたように記憶更新または上書き記録（上書き保存）された「前回の給水弁Ｖ１が閉鎖された時間」は、フローが最初の〔Ｓ１１〕にループして、〔Ｓ１３〕における第三異常検知制御の判断が再度行われる時に用いられる。また、この、新たに記憶された、前回の給水弁Ｖ１が閉鎖された時間は、後述する「給水弁の固着抑制制御」にも用いられる。

〔Ｓ１６〕または〔Ｓ１７〕で、弁の閉鎖時間あるいは給水制御の終了時間が記録されると、第二給水制御（補水制御）は終了となる。その後はスタートに戻り、〔Ｓ１１〕において第二水位のＬセンサが水を検知しているか否か、を確認する。

以上詳述したように、本実施形態の燃料電池装置における蓄熱タンク４の給水制御においては、
（１）燃料電池の発電運転を行なっていない場合において、蓄熱タンク４の水位が所定の第一水位（Ｌ）より低い場合に、タンクに水を供給する第一給水制御〔Ｓ１〕〜〔Ｓ６〕を実行可能であり、この第一給水制御を開始してから第一時間（Ｔ１）が経過した時に第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御〔Ｓ３〕，〔Ｓ７〕，〔Ｓ８〕を実行可能である。また、
（２）燃料電池の発電運転を行なっている場合において、蓄熱タンク４の水位が所定の第二水位（Ｌ）より低い場合に、タンクに水を供給する第二給水制御〔Ｓ１２〕〜〔Ｓ１７〕（補水制御）を実行可能であり、この第二給水制御を開始してから第二時間（Ｔ２）が経過した時に第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御〔Ｓ１４〕，〔Ｓ１５〕，〔Ｓ１９〕，〔Ｓ２０〕を実行可能である。そして、
（３）前述の第二時間（Ｔ２、たとえば１２０分間）は、前述の第一時間（Ｔ１、たとえば２０分間）より、長くなっている。

以上の構成により、実施形態の燃料電池装置は、燃料電池装置の発電運転の停止（回数）が、抑制されている。その結果、効率よく発電運転を行なうことができる。

また、言い換えると、第一時間（Ｔ１）は第二時間（Ｔ２）より短い。このようにＴ１を設定することで、燃料電池装置の準備段階であり発電運転を行っていない「水張り」時の異常を短時間で検知することができ、燃料電池装置の準備を迅速に行なうことができる。

さらに、水張り時においては、外部水の導入を停止する水位（第三水位）より低い位置にある水位（第一水位）に水が第一時間以内に検知されたか否かを判断して上述する第一異常を検知する制御としている。これにより、燃料電池装置の準備段階であり発電運転を行っていない「水張り」時の異常をさらに短時間で検知することができる。

なお、実施形態の燃料電池装置における給水装置の給水弁Ｖ１は、遠隔操作可能な、電磁式の開閉弁を採用している。そのため、制御装置２０は、蓄熱タンク４内の水位または水量に関わらず、独立して弁の開閉操作を行なう「給水弁の固着抑制制御」を実行することができる。

すなわち、本実施形態の燃料電池装置は、第一給水制御または第二給水制御に伴って給水弁Ｖ１の開閉を制御する第一の給水弁開閉制御と、第一給水制御または前記第二給水制御と関連なく給水弁Ｖ１の開閉を制御する第二の給水弁開閉制御とを、独立して実行することができる。

そして、制御装置２０は、前述の第二給水制御の実行完了（図５のフローにおける〔Ｓ１６〕または〔Ｓ１７〕）から、図５のフロー上部の、蓄熱タンク４内の水位（水量）が発電運転に適した定常あるいは正常な状態であることを確認する〔Ｓ１１〕のループ制御に復帰したのち、前回の給水弁Ｖ１の閉鎖時間あるいは前回の給水制御の終了時間から、前述の第三時間（Ｔ３、たとえば７２０時間）が経過する前は、前記の第二の給水弁開閉制御を実行しない。

言い換えれば、実施形態の燃料電池装置の制御装置２０は、水張り動作または最後（前回）の補水動作等、弁の開閉を伴う制御を行なってから、第三時間（Ｔ３、７２０時間）が経過したら、弁の固着を抑制するために、給水弁Ｖ１の開閉動作を、水張り制御または補水制御に関係なく、強制的に実行することができる。これにより、給水弁の固着を、未然に防ぐことができる。

また、制御装置２０は、水張り動作または最後の補水動作等、弁の開閉を伴う制御を行なってから、第三時間（Ｔ３）が経過するまで、次回の弁の開閉動作をしないことから、熱媒循環装置を構成する部材からの漏水を、的確に検知することができる。つまり、弁の固着を抑制するために給水弁Ｖ１の開閉動作を行なうと、蓄熱タンク水が流れ込むことで水量が増え、漏水を検知することができなくなる（誤検知する）おそれがあるが、第三時間（Ｔ３）が経過するまでは給水弁Ｖ１の開閉動作をしないことで、このような誤検知を防止することができる。

なお、第三時間Ｔ３に設定した７２０時間（３０日間）は一例である。そのため、先に述べた、熱媒循環装置からの漏水のおそれがあると判断する「第三異常」の警報の発報は、７２０時間（３０日間）未満としてもよい。

以上の実施形態では、燃料電池装置の有する蓄熱タンク４の給水制御について例示したが、燃料電池装置は、図３に示すような、同様の構成の改質水タンク３を備える。以下に、前述の給水制御を改質水タンク３に適用した例について説明する。

図３は、燃料電池装置の改質水タンク３の構成を示す図であり、図２の蓄熱タンク４と同様、その内部に貯留された熱媒の貯水量の目安となる液面（上水面）高さを測定するために、一つ以上複数のセンサからなる水位（液面）検出装置を備える。なお、水位検出装置は、図示した水接触式の水位センサのほか、非接触式の液面センサとしてもよい。

また、改質水タンク３の場合も、低水位センサＬ（Ｌセンサ）と、高水位センサＨ（Ｈセンサ）とが配置されている。なお、以下の改質水タンク３への給水フロー（図４および図６）において、第一水位は図１、図３におけるＬセンサの位置（図示高さ）であり、第三水位および第四水位は図１、図３におけるＨセンサの位置であるものとする。第二水位は、先の蓄熱タンク４の実施形態とは異なる、図１、図３におけるＨセンサの位置に設定されている。これにより、改質水タンク３の実施形態における第一時間（Ｔ１）は、たとえば５０分間に設定され、第二時間（Ｔ２）は、たとえば１２０分間に設定される。

さらに、改質水タンク３の場合も、組み立て直後あるいは製造直後は、水（改質水）は注水されておらず、空（から）の状態である。そして、初回の試運転またはユーザー（客先）の所定設置場所等に設置されて発電運転を始める前に、所定の高水位センサＨ（Ｈセンサ）位置まで水が注水されて、使用に供される点も同様である。

そのため、発電運転開始前の改質水タンク３へ水道水を注水することを「水張り」とよぶ。また、発電運転を開始した後、改質水タンク３の水位が高水位センサＨ（Ｈセンサ）位置を下回ったことが検知された場合にも、水位が高水位センサＨ（Ｈセンサ）を回復する位置まで水道水等が注水される。このように発電運転中に不足した改質水を補うために改質水タンク３へ水道水を注水することを「補水」とよぶ。

なお、前述の改質水として、本来、熱交換器２から排出される凝縮水をイオン交換樹脂等で浄化した浄化水（純水）が用いられる。そのため、本実施形態の給水および補水も、外部水（水道水）を浄化処理した処理水（純水）を用いてもよい。図１、図３では、イオン交換樹脂等の浄化処理装置の図示を省略している。

図４および図６に示すフローチャートは、前記構成の改質水タンク３に注水する給水制御を説明するものである。図４のフローは、先に述べた蓄熱タンク４と共通のものであり、燃料電池が発電運転を始める前の段階を示す。また、図６のフローは発電運転を開始した後の段階を示す。

図４の発電運転を始める前の段階のフローは、第一時間（Ｔ１＝５０分間）以外、先に述べた蓄熱タンク４のフローと同じであるため、詳細な説明を省略する。また、図６の発電運転を開始した後の段階のフローも、蓄熱タンク４のフロー（図５）と同様であることから、先に述べた蓄熱タンク４のフローと異なる部分についてのみ、説明する。

図６に示す、発電運転を開始した後の段階の、改質水タンク３の給水制御のフローに関し、図５に示す蓄熱タンク４のフローと異なるのは、漏水を確認する「第三異常検知制御」を行なわない点である。これは、改質水タンク３の水量は、凝縮水として回収された水量と、発電に使用される水量との関係によって増減するものであって、その補水頻度からは漏水を検出することができないためである。

すなわち、〔Ｓ１２〕において、第二水位のＨセンサによる水の検知が途切れて［Ｎｏ］になった場合、制御装置２０は、蓄熱タンク４内の水位を正常な状態に戻すための、第二給水制御（補水制御）を、即時実行する。そのため、図６には、図５の〔Ｓ１３〕に相当する〔Ｓ２３〕と、図５の〔Ｓ１８〕に相当する〔Ｓ２８〕の、各ステップがない。

また、第三異常検知制御を行なわないことから、制御装置２０は、図６に記載の改質水タンク３のフローにおいて、「弁の閉鎖日時」や「給水制御の終了時間」の記憶または記録等は行なっていない。

なお、図６の〔Ｓ２１〕における第二水位を、図５の〔Ｓ１１〕（Ｌセンサ）とは異なる「Ｈセンサ」としているのは、本実施形態の改質水タンク３においては、Ｌセンサは改質水タンクの下限位置（渇水）を検知するために設けられたものであり、水位（上水面）が第一水位を下回ると異常と判定する制御を行っているからである。

以上の相違点以外、図５Ｂに示す改質水タンク３の給水制御フローは、蓄熱タンク４の場合と同様である。すなわち、〔Ｓ２２〕以降の第二給水制御において、制御装置２０は、〔Ｓ２４〕において外部水導入用の給水弁Ｖ２を開放し、タンクへの補水を開始する。

ついで、制御装置２０は、補水による水位上昇を確認するために、〔Ｓ２５〕において、第四水位の位置に配設されたＨセンサが水を検知しているか否かを確認する。

そして、〔Ｓ２５〕において、第四水位のＨセンサが水を検知している［Ｙｅｓ］の場合、制御装置２０は、〔Ｓ２６〕において、給水弁Ｖ２を閉じてタンクへの給水を停止し、第二給水制御を終了する〔Ｓ２７〕。

なお、〔Ｓ２５〕において第四水位のＨセンサが水を検知せずに（Ｎｏのまま）、〔Ｓ２９〕において補水経過時間が第二時間（Ｔ２＝１２０分間）を超過した（Ｓ２９が［Ｙｅｓ］となった）場合、制御装置２０は、〔Ｓ３０〕において、蓄熱タンク４の場合と同様の第二異常検知制御を実行する。この点も同じである。

したがって、改質水タンク３の給水（補水）制御においても、
（１）燃料電池の発電運転を行なっていない場合において、改質水タンク３の水位が所定の第一水位（Ｌ）より低い場合に、タンクに水を供給する第一給水制御〔Ｓ１〕〜〔Ｓ６〕を実行可能であり、この第一給水制御を開始してから第一時間（Ｔ１、改質水タンク３の場合５０分間）が経過した時に第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御〔Ｓ２〕，〔Ｓ３〕，〔Ｓ７〕，〔Ｓ８〕を実行可能である。また、
（２）燃料電池の発電運転を行なっている場合において、改質水タンク３の水位が所定の第二水位（Ｈ）より低い場合に、タンクに水を供給する第二給水制御〔Ｓ２２〕〜〔Ｓ２７〕（補水制御）を実行可能であり、この第二給水制御を開始してから第二時間（Ｔ２、改質水タンク３の場合１２０分間）が経過した時に第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御〔Ｓ２４〕，〔Ｓ２５〕，〔Ｓ２９〕，〔Ｓ３０〕を実行可能である。そして、
（３）前述の第二時間（Ｔ２）は、前述の第一時間（Ｔ１）より、長く設定されている。

以上の構成によっても、実施形態の燃料電池装置は、燃料電池装置の発電運転の停止および停止回数が、抑制されている。その結果、効率よく発電運転行なうことができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

１ 燃料電池モジュール
２ 熱交換器
３ 改質水タンク
４ 蓄熱タンク
２０ 制御装置
３０ 記憶装置
Ｃ 熱媒循環流路
Ｐ２ 熱媒循環ポンプ

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   該燃料電池の運転に用いる水を貯留する水タンクと、
   前記水タンクの所定位置に配設された少なくとも一つの水位センサと、
   前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電運転を行なっていない場合において、前記水タンクの水位が所定の第一水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第一給水制御を実行可能であり、
   該第一給水制御を開始してから第一時間が経過した場合に、前記第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御を実行可能であり、
   前記燃料電池の発電運転を行なっている場合において、前記水タンクの水位が所定の第二水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第二給水制御を実行可能であり、
   該第二給水制御を開始してから第二時間が経過した場合に、前記第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御を実行可能であり、
   前記第二時間は前記第一時間より長い、燃料電池装置。
2. 前記制御装置は、
   前記第二給水制御の実行完了から第三時間が経過する前に、前記水タンクの水の水位が前記第二水位より低くなった場合に異常を検知する第三異常検知制御を実行可能である、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 外部から水の供給を制御する弁をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記第一給水制御または前記第二給水制御に伴って前記弁の開閉を制御する第一開閉制御を実行可能であり、
   前記第一給水制御または前記第二給水制御と関連なく前記弁の開閉を制御する第二開閉制御を実行可能であり、
   前記第二給水制御の実行完了から前記第三時間が経過する前までに、前記第二開閉制御を実行しない、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 燃料電池を備える燃料電池装置を制御する制御装置であって、
   前記燃料電池は、
   燃料電池の運転に用いる水を貯留する水タンクと、
   前記水タンクの所定位置に配設された少なくとも一つの水位センサと、を備え、
   前記燃料電池の発電運転を行なっていない場合において、前記水タンクの水位が所定の第一水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第一給水制御と、
   該第一給水制御を開始してから第一時間が経過した場合に、前記第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御と、
   前記燃料電池の発電運転を行なっている場合において、前記水タンクの水位が所定の第二水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第二給水制御と、
   該第二給水制御を開始してから第二時間が経過した場合に、前記第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御と、を含み、
   前記第一異常検知制御と前記第二異常検知制御とを実行した場合において、前記第二時間は前記第一時間より長い、制御装置。
5. 燃料電池と該燃料電池の運転に用いる水を貯留する水タンクとを備える燃料電池装置を制御する制御装置に、
   前記燃料電池の発電運転を行なっていない場合において、前記水タンクの水位が所定の第一水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第一給水制御ステップと、
   該第一給水制御を開始してから第一時間が経過した場合に、前記第一給水制御が継続されている場合に異常を検知する第一異常検知制御ステップと、
   前記燃料電池の発電運転を行なっている場合において、前記水タンクの水位が所定の第二水位より低い場合に、前記水タンクに水を供給する第二給水制御ステップと、
   該第二給水制御を開始してから第二時間が経過した場合に、前記第二給水制御が継続されている場合に異常を検知する第二異常検知制御ステップと、
   を実行させる制御プログラムであって、
   前記第一異常検知制御と前記第二異常検知制御とを実行した場合において、前記第二時間は前記第一時間より長い、制御プログラム。

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