JP2020194666A - 燃料電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水タンクへの給水量が低下している状況下においても、水張りや補水等の水タンクへの給水操作を完遂することのできる燃料電池装置を提供する。【解決手段】本開示の燃料電池装置は、燃料電池と、外部より供給される水が流過する外部水流路と、燃料電池の運転に必要な水を貯留する水タンクと、水タンクの水位を検知する水位センサと、燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、水タンクへの水の供給を開始してから所定の時間の間に前記水位センサが水を検知しない場合に異常と判定する、異常判定制御を実行可能である。該異常判定制御は、第一異常判定制御と、前記第一異常判定制御よりも判定時間が長く設定された第二異常判定制御と、を含む。【選択図】図3

Description

本開示は、燃料電池装置に関する。
燃料電池装置は、多くのプロセスに水が介在しており、これらプロセスに用いられる水を、水タンクに多く貯留している。そのため、長期にわたり燃料電池装置の運転または稼動を停止する場合は、水タンク内およびその水が循環する配管内の「水抜き」が行なわれる。
そして、燃料電池装置の運転の再開する前には、上述の水タンク内および配管内に水を満たすための「水張り」が行なわれる(特許文献1を参照)。
また、コジェネレーションシステムを構成する燃料電池装置またはそれに並設の貯湯タンクは、通常、水道水等の外部水を取り入れるインレットと、外部の給湯器等へお湯を供給するアウトレットとを備えている。インレットから導入された水道水は、主に外部への給湯に使用される水が流過する、太径の主配管と、この主配管から分岐した細径の副配管とを利用して、筐体内各所に配置された各水タンクに分配される(特許文献2を参照)。
特開2011−34075号公報 特開2015−22864号公報
ところで、前述したように、筐体内に配置された各水タンクへの水張りおよび補水に使用される水の供給と、外部への温水の供給とは、水源(源圧)を同じとする1本の水道管を分岐・分配させて行なわれている。
そのため、水タンクへの水張りまたは補水と、外部への給湯要求とが同時に発生すると、水道水の源圧および供給量(流量)は、給湯側に優先的に振り分けられるため、水タンクへの水張りまたは補水側では、水の供給量が不足して、水張りまたは補水に時間がかかり過ぎたり、水張りまたは補水を完了することができない場合があった。
本開示の目的は、水タンクへの給水量が低下している状況下においても、水張りや補水等の水タンクへの給水操作を完遂することのできる燃料電池装置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、外部より供給される水が流過する外部水流路と、前記外部水流路から水が供給されて燃料電池の運転に必要な水を貯留する水タンクと、前記水タンクの水位を検知する水位センサと、前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備える。
前記制御装置は、前記水タンクへの水の供給を開始してから所定の時間の間に前記水位センサが水を検知しない場合に異常と判定する、異常判定制御を実行可能である。
該異常判定制御は、第一異常判定制御と、前記第一異常判定制御よりも判定時間が長く設定された第二異常判定制御と、を含む。
本開示の燃料電池装置によれば、水タンクへの給水量が低下している状況下においても、水張りや補水等の水タンクへの給水操作を完了することができる。
実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。 外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池装置における異常判定制御のフローチャートである。 実施形態の燃料電池装置における他の異常判定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る。なお、燃料電池装置において汎用的な装置や機器等については、詳しい説明を行なわず、図中への符号の付与のみに留めているものもある。
図1に示す燃料電池装置100は、収納容器10内に収容された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3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6とを備える。
なお、前述の蓄熱タンク3と改質水タンク6とは、ともに、本開示の、燃料電池の運転に必要な水を貯留する水タンク、の一例である。本実施形態では、主に、比較的貯水量の多い蓄熱タンク3に対する水道水の供給(給水)について説明する。
燃料電池装置100は、原燃料ポンプおよび原燃料流路等を含む原燃料供給装置11と、空気ブロア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12を備える。また、水自立運転を継続するための、凝縮水流路C、前述の改質水タンク6、改質水供給ポンプおよび改質水流路Rを含む改質水供給装置13を含む。
さらに、先に述べた熱交換器2、蓄熱タンク3、ラジエータ4、熱媒循環ポンプとこれらを環状に接続する熱媒循環流路HC1とからなる熱媒循環系(第1のヒートサイクル)を備える。
また、燃料電池装置100は、外部に供給するための水道水(上水)を加温するための第2熱交換器5と、前述の蓄熱タンク3から高温の熱媒を取り出して循環させるための与熱ポンプおよび熱媒循環流路HC2等を含む、温水供給システム(第2のヒートサイクル)を備えている。
そして、燃料電池装置100は、前述の水タンクである、蓄熱タンク3および改質水タンク6に、それぞれ、水道水等の外部水を供給(給水という)あるいは補給(補水という)するための給水装置を備える。
給水装置は、給水を開始・停止するための電磁式開閉弁等を含む給水バルブV,V,V等と、水道水を各水タンクまで流過させる給水流路(配管)K0,K1,K2等と、これら給水流路を流過する水の流過量(供給量)を測定する水流量計(フローメータ)FM1,FM2,FM3等とからなる。給水流路(配管)K0,K1,K2は、本開示の外部水流路の一部である。
また、燃料電池装置100は、図1に記載のように、仮想線(二点鎖線)で表示する、外部の給湯器200等に温水を供給するための給湯流路Wを備えている。この給湯流路Wも、本開示の外部水流路の一部である。
給湯流路Wは、筐体外面に配設されたインレットWinから取り入れた水道水を、前述の第2のヒートサイクル(熱媒循環流路HC2)の第2熱交換器5(上水熱交換器ともいう)を経由して温め、筐体外面のアウトレットWoutから導出する主配管(W)を備える。さらに、給湯流路Wは、主配管(W)から分岐して、蓄熱タンク3および改質水タンク6等の水タンクで使用する水を分配する細径の副配管(分配管K0,K1,K2)とを含む。
主配管(W)の通水、すなわち給湯器200への温水の供給は、三方弁Vの開閉により制御される。
主配管(W)から分岐した分配管K0は、さらに、蓄熱タンク3に向けて水を流過させる分配管K1と、改質水タンク6に向けて水を流過させる分配管K2とに、分岐するよう構成されている。分配管K0への通水(給水)は、給水バルブVの開閉により制御され、分配管K1への通水(給水)は、給水バルブVの開閉により制御され、分配管K2への通水は、給水バルブVにより制御される。
なお、蓄熱タンク3に水を流過させる分配管K1と、改質水タンク6に水を流過させる分配管K2とは、本開示における第一流路の一例である。また、これら分配管K1,K2に、それぞれ取り付けられている水流量計FM1と水流量計FM3とは、本開示の第一流量測定部に相当する。
同様に、各水タンクに向けて分岐せず、外部に向かって流過(筐体内を通過)する給湯流路Wは、本開示における第二流路の一例であり、この給湯流路Wの水の通過量を測定するために取り付けられている水流量計FM2は、本開示の第二流量測定部に相当する。
そして、燃料電池装置100は、図2に示すような、各フレーム31と各外装パネル32とからなるケース30の中に配設されている。このケース30の中の、燃料電池モジュール1および各補機の周りや、流路、配管等には、以下のような制御手段や、複数の計測機器やセンサ、または他の補機等が設けられている。
また、燃料電池装置100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制御装置20と、この制御装置20に対してユーザ等が指示を出すための、屋内に設置された操作パネル(図示省略)等を備える。
制御装置20は、記憶装置および表示装置(ともに図示省略)と、燃料電池装置100を構成する各種構成部品および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100の全体を制御および管理する。制御装置20は、それに付属する記憶装置(図示省略)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100の各部にかかる、種々の機能を実現する。
また、燃料電池装置100は、各部の温度を計測するための温度センサや、筐体(ケース30)内に配置された各水タンクの水位を計測するための、水位センサや水検出装置等を、複数備える。
たとえば、図1に示すように、蓄熱タンク3内の水位(水面高さ)を測定するために、蓄熱タンク3における水位の高位置(高水位またはHレベル)には、水位センサWLが取り付けられ、水位の低位置(低水位またはLレベル)には、水位センサWLが配設されている。
同様に、改質水タンク6においても、内部の高水位(H)に相当する位置に、水位センサWLが取り付けられ、低水位(L)に相当する位置には、水位センサWLが配設されている。これら水位センサL,L,L,Lは、いずれも、水を検出した信号(検出信号)を発信することにより、タンク内の水位(水面高さ)が、その位置まで到達したことを検出する。
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が行なう本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、水道水の給水(前述の「水張り」および「補水」操作)を制御する。また、各図では、制御装置20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。
以上の構成の燃料電池装置100において、たとえば長期の運転停止または稼動停止のために、水タンク内およびその水が循環する配管内の「水抜き」が既に行なわれており、運転再開のために、水タンク等に水道水を給水する「水張り」が行なわれる場合の制御は、つぎのように行なわれる。
なお、以下の燃料電池装置の制御は、空になった水タンク等に、改めて、満水(満タン)になるまで水道水を給水する「水張り」操作の他、運転中に低下した水位(水量)を、所定の高水位まで補うための「補水」操作の、いずれにも適用されるものである。また、水タンクの種類は限定されず、燃料電池の運転に必要な水を貯留する、種々の水タンクの水張りおよび補水に提要できる。その他、同様の制御を、試運転等、燃料電池装置の設置後の初回運転の前に、管理者等によって行なわれる水張り操作に適用することもできる。
図3は、燃料電池装置100の蓄熱タンク3または改質水タンク6に対して「水張り」を行なう際の制御フローを、図3に示す。なお、各フローチャート内においては、判定制御における「満たす(肯定)」を[Yes]で、「満たさない(否定)」を[No]で表している。
図3のチャートは、燃料電池装置の水タンクへの水の供給(水張り)を開始してから所定の時間の間に、水タンクの高水位位置に取り付けられた水位センサが水を検知しない場合に、前述の水張り操作が異常として終了(エラー終了)する、「異常判定制御」の制御フローに関するものである。
すなわち、この異常判定制御は、対象とする水タンクに関する高水位の水位センサが水を検知しておらず、その水タンクに対する給水制御(水張り制御または補水制御)が開始される際に発するスタートトリガを引き金として、給水制御と並行に、または給水制御に付加(アドオン)して実行されるものである。
なお、図3のチャートにおいては、各給水バルブの開閉等、機械・装置に直接関与する制御「操作」は、記載を省略している。
また、後記でも説明するが、異常判定制御は、図示下段に記載した「第一異常判定制御」と「第二異常判定制御」の2つのブロックから構成されている。制御装置は、これら2つの制御にそれぞれ対応して、タイマ、アラーム、ウォッチ等の時間に関する定義値(変数)と、状態を示すコンピュータフラグ等とが、設定されているものとする。
図3のフローにおいて、異常判定制御は、先にも述べたように、水張り制御または補水制御等の給水制御における「給水開始」(トリガ)とともにスタートする〔ステップ0〕。なお、図中の各〔ステップ0〕,〔ステップ1〕は、以降、単に〔S0〕,〔S1〕等と、略称で記載する。
制御がスタートすると、制御装置30は、まず、〔S1〕において、第一異常判定を行なうための「時間」を計数(カウント)するためのカウンタとして、「アラームX」,「アラームY」と設定された2つのカウンタを設定・起動する。
そして、最初に、状況判断として、水タンクへ給水するための「第一流路」(外部水流路の一方)の水流量が低下していないか否か、具体的には、給湯器200への給湯が開始されたために、外部から導入される水道水の多くが、他方の外部水流路である第二流路側に回されていないか否か、を確認する。
すなわち、〔S2〕においては、水タンクに供給される水の供給量の判定として、水タンクに関連する、前述の第一流路に配設された第一流量測定部(水流量計FM1または水流量計FM3)で測定される水流量Fが、予め流路ごとに定められた設定値である「第1流量(F1)」以下になっていないか否か、を判定する。
ここで、〔S2〕において、第一流量測定部における水流量Fが、第1流量F1以下の[Yes]であれば、制御装置30は、以降、図3のチャートにおいて左列の「第二異常判定制御」を構成する一連の制御〔S3〕〜〔S7〕を実行する。
また、〔S2〕において、第一流量測定部における水流量Fが、第1流量F1を越える[No]の場合は、制御装置30は、以降、図3のチャートにおいて右列の「第一異常判定制御」を構成する一連の制御〔S8〕〜〔S12〕を実行する。
なお、後記で詳しく説明するが、第二異常判定制御におけるアラームYの発報設定値であるカウント上限値Y1(判定時間)は、第一異常判定制御におけるアラームXの発報設定値であるカウント上限値X1(判定時間)より、長く設定されている。
実施形態の制御フローは、このように、給湯実施等の外部要因により水タンクへの給水量または給水圧が低下している場合でも、判定時間がより長く設定された異常判定条件を適用することにより、給水制御における給水の中断やエラー発報、エラー停止等の異常終了の発生を極力回避して、抑制することができる。すなわち、実施形態の燃料電池装置は、水タンクへの給水量が低下している状況下においても、水張りや補水等の水タンクへの給水操作を、完了・完遂することができる。
各異常判定制御を個別に説明する。
第二異常判定制御は、ブロックとしての制御の最初に、アラーム(タイマ)を選択して、状況に即した適切なカウンタに切り替える。すなわち、制御装置20は、まず、〔S3〕において、上限設定値X1の比較的短い(たとえば20分間)アラームXの時間カウントを一次停止するとともに、〔S4〕において、上限設定値Y1の比較的長い(たとえば120分間)アラームYの時間カウントを継続する。なお、例では、上限値を設けるカウントアップ制御を採用しているが、設定値(時間)からカウントダウンするアラームまたはタイマ方式を採用してもよい。
ついで、〔S5〕〜〔S7〕のループ制御において、以下の3つの点について確認または判定を行なう。
〔S5〕では、対象となる水タンクの高水位位置に設置された水センサ、この例では蓄熱タンク3の水位センサWLが、水を検知しているか否か、すなわち、水位がこの水センサの高さまで到達しているか否か、を確認する。
〔S5〕において、水位センサが水を検知している[Yes]であれば、水張りあるいは補水等の給水は完了したものと判断して、制御装置20は、この異常判定制御と、給水制御等を終了する〔正常終了〕。
また、〔S5〕において、水位センサが水を検知していない[No]であれば、まだ、水張りあるいは補水等の給水は完了していない途中であると判断して、〔S6〕に進む。
〔S6〕では、制御の開始時と同様の手順で、水タンク側の第一流路を流れる給水の流量Fが、給湯等の理由により低下したままか、あるいは、給湯の中止等により回復していか否か、を確認する。
〔S6〕において、給水の流量Fが低下したままの[Yes]であれば、制御装置20は、給水と、アラームYのカウントを継続する。
また、〔S6〕において、給水の流量Fが回復(増加)したこと[No]が確認されれば、前述の〔S2〕のように、給水量(流量F)が多く、短時間での給水完了が見込める場合に適用される「第一異常判定制御」に移行する(〔S8〕へ)。
つぎに、〔S7〕では、現在作動しているアラームYの時間数(積算値)と、先に述べたアラームYの上限設定値Y1とを比較して、アラームYの時間数(積算値)が上限設定値Y1を超えている[Yes]であれば、制御装置20は、この一連の給水操作はタイムオーバーであると判断して、給水を中断するととともに、外部へ異常終了を伝達するエラー発報等を行なってから、この異常判定制御と、給水制御等を終了する〔エラー終了〕。
〔S7〕において、アラームYの時間数(積算値)が上限設定値Y1以下の[No]であれば、制御装置20は、前述の〔S5〕の水位の確認に戻って、〔S5〕〜〔S7〕のループを繰り返す。以上が、給水圧が低い場合に実施される、第二異常判定制御である。
つぎに、図示右側の第一異常判定制御も同様、ブロックとしての制御の最初に、アラーム(タイマ)を選択して、状況に即した適切なカウンタに切り替える。すなわち、制御装置20は、まず、〔S8〕において、上限設定値Y1の比較的長い(たとえば120分間)アラームYの時間カウントを継続するとともに、〔S9〕において、上限設定値X1の比較的短い(たとえば20分間)アラームXの時間カウントを開始、あるいは一時停止されていた場合は再開する。
ついで、〔S10〕〜〔S12〕のループ制御において、前述の第二異常判定制御に類似の、以下の3つの点について確認または判定を行なう。
〔S10〕では、〔S5〕と同様、対象となる水タンクの高水位位置に設置された水センサ(WL)が水を検知して、水位がこの水センサの高さまで到達しているか否か、を確認する。〔S5〕同様、水位センサが水を検知して[Yes]であれば、制御装置20は、この異常判定制御と、給水制御等を終了する〔正常終了〕。また、水位センサが水を検知していない[No]であれば、水張りあるいは補水等の給水は未完了として、〔S11〕に進む。
〔S11〕では、制御の開始時と同様、第一流路を流れる給水の流量Fが低下しているか否か、を確認する。〔S11〕において、給水の流量Fの低下が確認された[Yes]の場合、制御装置20は、給湯等が開始されたと判断して、給水量(流量F)が少なく、給水完了に時間がかかることが見込まれる場合に適用される「第二異常判定制御」に移行する(〔S3〕へ)。また、給水の流量Fが多いままで維持されていることが確認[No]されれば、制御装置20は、給水と、アラームXのカウントを継続する。
つぎに、〔S12〕では、現在作動しているアラームXの時間数(積算値)と、先に述べたアラームXの上限設定値X1とを比較して、アラームXの時間数(積算値)が上限設定値X1を超えていれば[Yes]、制御装置20は、この一連の給水操作はタイムオーバーであると判断して、給水を中断するととともに、外部へ異常終了を伝達するエラー発報等を行なってから、この異常判定制御と、給水制御等を終了する〔エラー終了〕。
他方、〔S12〕において、アラームXの時間数(積算値)が上限設定値X1以下[No]であれば、制御装置20は、前述の〔S10〕の水位の確認に戻って、〔S10〕〜〔S12〕のループを繰り返す。以上が、給水圧が通常もしくは高い場合に実施される、第一異常判定制御である。
以上の制御フローのように、燃料電池装置100は、給湯実施等の外部要因のより水タンクへの給水量または給水圧が低下している場合でも、判定時間がより長く設定された第二異常判定条件を適用することにより、給水制御における給水の中断やエラー発報、エラー停止等の異常終了の発生を、抑制することができる。したがって、実施形態の燃料電池装置は、水タンクへの給水量が低下している状況下等においても、水張りや補水等の水タンクへの給水操作を、完了することができる。
なお、以上の実施形態において、フローチャートの〔S5〕および〔S10〕における、水タンクの水位の確認には、例として蓄熱タンク3への水張り制御をあげたため、蓄熱タンク3に配設された高水位センサWLを使用したが、たとえば、改質水タンク6の水張りの場合は、水位の確認に、改質水タンク6の高水位センサWLを使用する。
また、図3の制御フローにおいては、給水側の水流量および給湯実施の確認に、給湯により流量が低下する側の、前述の第一流路(分配管K1,K2)に配設された第一流量測定部(水流量計FM1または水流量計FM3)で測定した第1の水流量Fを用いたが、この流量の測定と前述のような給湯実施の確認には、本開示の第二流路(給湯流路W)の途中に配設された第二流量測定部(水流量計FM2)を用いて第2の水流量Lを用いることもできる。ただし、第2の水流量Lは、給湯等により増加するものであるため、その判定基準は、予め定められた第2流量L1以上、とする。
このように、給湯器200側の給水(給湯)量を基準として、第一異常判定制御と第二異常判定制御の2つの異常判定制御の一方を選択する制御フロー例を、図4に示す。
図4のフローチャートにおいて、図3のフローチャートと内容が異なるのは、図3における〔S2〕に相当する〔S21〕,〔S6〕に対応する〔S22〕,〔S11〕に対応する〔S23〕である。
先にも述べたように、これら〔S21〕,〔S22〕,〔S23〕では、蓄熱タンク3あるいは改質水タンク6等に供給される水の供給量の確認・判定として、給湯に関連する、第二流路に配設された第二流量測定部(水流量計FM2)で測定される水流量Lが、予め定められた設定値である「第2流量(L1)」以上になっていないか否か、を判定することにより、給湯実施の有無を判定することができる。
以上の図4の制御フローにおいても、図3の制御フローの場合と同様、給湯実施等の外部要因のより水タンクへの給水量または給水圧が低下していることを確認することができ、その結果、状況に適した、判定時間がより長く設定された異常判定条件を適用することができる。
したがって、図4の制御フローにおいても、図3の制御フローと同様、給水制御における給水の中断やエラー発報、エラー停止等の異常終了の発生を回避して、給水の中断や停止を抑制することができる。
1 燃料電池モジュール
2 熱交換器
3 蓄熱タンク
5 第2熱交換器
6 改質水タンク
20 制御装置
100 燃料電池装置
W 給湯流路
K 分配管

Claims (6)

  1. 燃料電池と、
    外部より供給される水が流過する外部水流路と、
    前記外部水流路から水が供給されて燃料電池の運転に必要な水を貯留する水タンクと、
    前記水タンクの水位を検知する水位センサと、
    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、前記水タンクへの水の供給を開始してから所定の時間の間に前記水位センサが水を検知しない場合に異常と判定する、異常判定制御を実行可能であり、
    該異常判定制御は、
    第一異常判定制御と、
    前記第一異常判定制御よりも判定時間が長く設定された第二異常判定制御と、
    を含む燃料電池装置。
  2. 前記制御装置は、前記外部水流路に関して予め定められた第一条件が満たされた場合は、前記第一異常判定制御を停止する、請求項1に記載の燃料電池装置。
  3. 前記外部水流路は、前記水タンクに接続される第一流路と、前記水タンク以外に接続される第二流路と、を有し、
    前記第一流路の流量を測定する第一流量測定部を備え、
    前記第一条件とは、前記第一流量測定部の測定値が所定の第1流量以下であることである、請求項2に記載の燃料電池装置。
  4. 前記外部水流路は、前記水タンクに接続される第一流路と、前記水タンク以外に接続される第二流路と、を有し、
    前記第二流路の流量を測定する第二流量測定部を備え、
    前記第一条件とは、前記第二流量測定部の測定値が所定の第2流量以上であることである、請求項2に記載の燃料電池装置。
  5. 前記制御装置は、前記第一異常判定の停止中に、
    前記第一条件が満たされなくなった場合は、前記第一異常判定を再開する、請求項2〜4のいずれか1つに記載の燃料電池装置。
  6. 装置内に、前記燃料電池の排気ガスと熱媒体の熱交換を行なう熱交換器を備え、
    前記水タンクとして、前記熱媒体を貯留する蓄熱タンク、および、前記熱交換器で発生した凝縮水を貯留する改質水タンクのうち、少なくとも一方のタンクを備える、請求項1〜5のいずれか1つに記載の燃料電池装置。
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