JP3916478B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は改質部や燃料電池の劣化損傷を抑える燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムは、一般的には、燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、燃料電池を冷却すべく燃料電池の内部に冷却水を通水する冷却通路と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路と、燃料電池の運転時に改質反応に使用される水蒸気となる水を供給する原料水供給通路とを備えている。
【0003】
燃料電池の温度が昇温すると、燃料電池の発電性能が低下する。そこで燃料電池システムでは、前述したように、燃料電池を冷却するように燃料電池の内部に冷却水を通水させる冷却通路が設けられている。この冷却水の電気伝導度が高いときには、燃料電池の内部を流れる冷却水を介して短絡電流が流れる液短絡現象が発生し、燃料電池の発電電力の一部が無駄に消費されることになる。そこで、特開平5−315002,特開平9−231990,特開2001−176535等の公報に開示されているように、この冷却通路に通水する冷却水を精製して水の電気伝導度を低下させる水精製部が設けられている。この水精製部として、イオン交換式純水製造装置が使用されており、イオン交換樹脂で水を精製して水の電気伝導度を低下させることにしている。これにより冷却水を介して短絡電流が流れる液短絡現象が発生することを抑えることができる。
【0004】
また特開2001−279256の公報に開示されているように、燃料に含まれる硫黄系物質を脱硫部で除去した後、その燃料を改質部に供給する技術が知られている。このものによれば、燃料を脱硫した後に改質部に供給するため、燃料電池の長寿命化に貢献できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開平5−315002,特開平9−231990,特開2001−176535等の公報に開示されている技術によれば、前述したように、燃料電池をその内部から冷却する冷却通路に通水する冷却水を精製して水の電気伝導度を低下させる水精製部が設けられている。この水精製部は、燃料電池を冷却する冷却通路に通水する冷却水を精製するものであり、改質部における改質反応で使用される水蒸気を生成するための原料水供給通路の改質反応用の水を精製するものではない。
【0006】
また特開200−90948に係る公報によれば、燃料電池をその内部から冷却する冷却通路に通水する冷却水と、改質部における改質反応で使用される水蒸気を生成するための原料水供給通路の改質反応用の水とを一体化する通路を設け、この通路に水精製部が配置されている。このため特開200−90948に係る技術によれば、水精製部が精製する水の量は膨大な量となるため、水精製部の劣化も速く、水精製部の浄水物質を頻繁に交換する必要がある。一般的には、単位時間当たりの水量を比較すると、燃料電池をその内部から冷却する冷却通路に通水する冷却水の量は、改質部における改質反応で使用される水蒸気を生成するための原料水供給通路の改質反応用の水の量に比較して遥かに多いからである。
【0007】
上記した水精製部として、一般的には、イオン交換式純水製造装置が使用されている。イオン交換樹脂で精製した水の電気伝導度が所定値以上(例えば1μS/cm以上)になると、水の電気伝導度が高いため、イオン交換樹脂による水の浄化能が低下しており、イオン交換樹脂のおおまかな交換時期が近づいている。
【0008】
上記したイオン交換式純水製造装置からなる水精製部を原料水供給通路に適用した場合には、イオン交換樹脂の交換時期を知らずに、燃料電池システムの運転を継続すると、改質反応用の水があまり浄化されておらず、改質部や燃料電池が劣化損傷するおそれがある。最後には燃料電池システム自体が故障する可能性がある。殊に改質部や燃料電池には反応活性を高めるべく貴金属系の触媒が担持されていることが多いが、水の浄化が不充分であると、触媒が劣化し易い。この場合、改質部、燃料電池の長寿命化には好まくない。
【0009】
燃料を脱硫する脱硫部についても、燃料電池システムを長時間運転した後に、定期的に交換する必要がある。この交換時期を知らずに、燃料電池システムをそのまま運転し続けると、改質部や燃料電池が劣化損傷するおそれがある。最後には燃料電池システム自体が故障する可能性がある。殊に改質部や燃料電池には反応活性を高めるべく触媒が担持されていることが多いが、燃料の脱硫が不充分であると、触媒が劣化し易い。この場合、改質部、燃料電池の長寿命化には好まくない。
【0010】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、改質部や燃料電池の劣化損傷を回避するのに有利な燃料電池システムを提供することを共通の課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
第1発明に係る燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、原料水を蒸発させて改質部における改質反応で使用する水蒸気を生成する蒸発部と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、蒸発部に原料を供給すべく前記蒸発部と給水源とを接続し、改質部における改質反応に使用される水蒸気となる水を精製する浄水物質を有する水精製部を有する原料水供給通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
水精製部で精製された水の精製度を検出する水精製度検出部と、水精製度検出部で計測された水の精製度が精製用のしきい値を越えたとき、水精製部の浄水物質の交換を警告する警告部とを有しており、
前記警告部による前記警告は、水精製部の浄水物質の交換時期が近いことを警告する警告と、燃料電池システムの運転を強制的に停止させる運転停止とを含み、
燃料電池システムの強制的な運転停止後に燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチが設けられており、
リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるとき、燃料電池システムの運転を再開可能とする運転再開部が設けられており、
リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値を越えるとき、リセットスイッチを操作しても、水精製部の浄水物質を交換しない限り、燃料電池システムの運転の再開を不能とする運転再開不能部が設けられていることを特徴とするものである。
【0012】
第1発明に係る燃料電池システムによれば、水精製度検出部で検出された水の精製度が精製用のしきい値を越えたとき、警告部は、水精製部の浄水物質の交換を警告する。警告に基づいて水精製部の浄水物質を交換すれば、改質反応用の水蒸気となる水に含まれている不純物が改質部、燃料電池に供給されることが抑えられる。
【0013】
第2発明に係る燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、原料水を蒸発させて改質部における改質反応で使用する水蒸気を生成する蒸発部と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、蒸発部に原料を供給すべく前記蒸発部と給水源とを接続し、改質部における改質反応に使用される水蒸気となる水を精製する浄水物質を有する水精製部を有する原料水供給通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
原料水供給通路を流れる水の積算流量を計測する水積算流量計測部と、
水積算流量計測部で計測された水の積算流量が積算流量用のしきい値を越えたとき、水精製部の浄水物質の交換を警告する警告部とを有しており、
前記警告部による前記警告は、水精製部の浄水物質の交換時期が近いことを警告する警告と、燃料電池システムの運転を強制的に停止させる運転停止とを含み、
燃料電池システムの強制的な運転停止後に燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチが設けられており、
リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるとき、リセットスイッチの操作により燃料電池システムの運転を再開可能とする運転再開部が設けられており、
リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値を越えるとき、リセットスイッチを操作しても、水精製部の浄水物質を交換しない限り、燃料電池システムの運転の再開を不能とする運転再開不能部が設けられていることを特徴とするものである。
【0014】
原料水供給通路に水が流れていれば、水精製部を流れる水の積算流量が増加するため、水精製部の浄水物質の劣化が進行し、水精製能力が次第に低下する。そこで第2発明に係る燃料電池システムによれば、水積算流量計測部で計測された水の積算流量が積算流量用のしきい値を越えたとき、警告部は、水精製部の浄水物質の交換を警告する。警告に基づいて水精製部の浄水物質を交換すれば、改質反応で使用される水蒸気となる水に含まれている不純物が改質部、燃料電池に供給されることが抑えられる。
【0015】
第3発明に係る燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し改質ガスを前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、燃料供給通路に設けられ燃料に含まれている硫黄系物質を除去する脱硫物質を有する脱硫部とを具備する燃料電池システムにおいて、
燃料供給通路を流れる燃料の積算流量を計測する燃料積算流量計測部と、燃料積算流量計測部で計測された燃料の積算流量が燃料積算流量用のしきい値を越えたとき、脱硫部の脱硫物質の交換を警告する警告部とを有しており、
前記警告部による前記警告は、脱硫部の脱硫物質の交換時期が近いことを警告する警告と、燃料電池システムの運転を強制的に停止させる運転停止とを含み、
燃料電池システムの強制的な運転停止後に燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチが設けられており、
リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるとき、リセットスイッチの操作により燃料電池システムの運転を再開可能とする運転再開部が設けられており、
リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値を越えるとき、リセットスイッチを操作しても、脱硫部の脱硫物質を交換しない限り、燃料電池システムの運転の再開を不能とする運転再開不能部が設けられていることを特徴とするものである。
【0016】
第3発明に係る燃料電池システムによれば、燃料積算流量計測部で計測された燃料の積算流量が燃料積算流量用のしきい値を越えたとき、警告部は脱硫部の脱硫物質の交換を警告する。警告に基づいて脱硫物質を交換すれば、燃料に含まれている硫黄系物質が改質部、燃料電池に供給されることが抑えられる。
【0017】
【発明の実施の形態】
・燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部が水精製部の浄水物質の交換処理用として設けられていることが好ましい。この場合、水精製度検出部で検出された水の精製度が精製用のしきい値を越え、且つ、燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき、警告部は水精製部の浄水物質の交換を更に警告する形態を採用できる。
【0018】
あるいは、水積算流量計測部で計測された水の積算流量が積算流量用のしきい値を越え、且つ、燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき、警告部は水精製部の浄水物質の交換を更に警告する形態を採用できる。
【0019】
あるいは、水精製度検出部で検出された水の精製度が精製用のしきい値を越え、且つ、水積算流量計測部で計測された水の積算流量が積算流量用のしきい値を越え、更に、燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき、警告部は水精製部の浄水物質の交換を更に警告する形態を採用できる。
【0020】
・原料水供給通路に水が流れているときには、水積算流量計測部で水の積算流量が計測される。燃料電池システムの運転中であるにもかかわらず、原料水供給通路に水が流れていないときには、水積算流量計測部で水の積算流量が計測されない。しかし水精製部の浄水物質は、水精製部水に貯留されている水に接触しているため、水精製部の浄水物質の劣化は進行する。このため原料水供給通路に水が流れている時間が比較的少ないときには、水精製部の浄水物質が水に接触している時間をも考慮しないと、水精製部の劣化時期の判定は必ずしも充分ではないことがある。そこで、燃料電池システムのシステム積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部を設けることが好ましい。この場合、燃料電池のシステム積算運転時間計測部がシステム積算運転時間を計測し、システム積算運転時間が積算運転時間用のしきい値よりも大きければ、水精製部の浄水物質を交換する警告を判定する際の要因とすることが好ましい。
【0021】
・水精製部の浄水物質の交換のための警告は、燃料電池システムの強制的な運転停止を含む。また燃料電池システムの運転が強制的に停止した後であっても、燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチが設けられている。リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるときには、浄水物質の寿命にまだ余裕があるとみなし、燃料電池システムの運転を再開できる運転再開部が設けられている。
【0022】
従って水精製部の浄水物質を交換する警告は出力されたものの、水精製部の浄水物質の寿命にまだ余裕があるとき等には、リセット操作回数が操作回数用のしきい値以内であるという条件のもとで、燃料電池システムの運転を再開することができる。
【0023】
但し、リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値を越えるときには、水精製部の浄水物質の寿命または寿命が近いとみなされるため、燃料電池システムの運転を再開するのは好ましくなく、従って、水精製部の浄水物質が交換されない限り、燃料電池システムの運転を再開を不能とする運転再開不能部が設けられている。このように燃料電池システムの運転の再開を不能とすることにより、燃料電池システムの保護性を高めることができる。なお、水精製部の浄水物質を交換すれば、燃料電池システムの運転を再開することができる。
【0024】
・好ましい形態によれば、水精製部は、原料水供給通路に繋がると共に水が収容される容器と、容器内に交換自在に収容された浄水物質とを有している。浄水物質の量は可変とされていることが好ましい。浄水物質としてはイオン交換樹脂、活性炭等が挙げられる。浄水物質の量は可変とされていることが好ましい。水精製部及び脱硫部が併用されている場合、水精製部の浄水物質の量を適宜調整することにより、水精製部の浄水物質の交換時期と脱硫部の脱硫物質の交換時期とを対応させて同時期とすることができる。
【0025】
・燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部が脱硫部の脱硫物質の交換処理用として設けられていることが好ましい。この場合、燃料供給通路を流れた燃料の積算流量が燃料積算流量用のしきい値を越え、且つ、システム積算運転時間計測部で計測された燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき、警告部は脱硫部の脱硫物質の交換を警告することが好ましい。
【0026】
燃料が燃料供給通路を流れているとき、燃料積算流量計測部で燃料の積算流量が計測される。燃料電池システムの運転中であるにもかかわらず、燃料が燃料供給通路を流れていないときには、燃料積算流量計測部で燃料の積算流量が計測されない。しかし燃料供給通路に燃料が流れなくても、燃料供給通路に配置されている脱硫部の脱硫物質は、燃料供給通路に残留している燃料または空気に接触しているため、脱硫部の脱硫物質の劣化は進行する。そこで、脱硫物質の交換処理のために、燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部を設けることが好ましい。この場合、燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間を計測し、燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき、脱硫部の脱硫物質を交換する警告を判定する際の要因とする。
【0027】
・脱硫部の脱硫物質を交換するための警告は、燃料電池システムの強制的な運転停止を含み、リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるとき、燃料電池システムの運転を再開できる運転再開部が設けられている。従って脱硫部の脱硫物質を交換するための警告が出力されたものの、脱硫部の脱硫物質の寿命にまだ余裕があるとき等には、リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるという条件のもとで、燃料電池システムの運転を再開することができる。
【0028】
但し、リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値を越えるときには、脱硫部の脱硫物質の寿命または寿命が近いとみなされるため、脱硫部の脱硫物質が交換されない限り、燃料電池システムの運転を再開を不能とする運転再開不能部が設けられている。これにより燃料電池システムの保護性を高めることができる。
【0029】
・好ましい形態によれば、脱硫部は、燃料供給通路に繋がる容器と、容器内に交換自在に収容された脱硫物質とを有している。脱硫物質としては、硫黄系物質を分解除去するものでも良いし、硫黄系物質を吸着除去するものでも良い。脱硫物質としては、活性炭等の炭素系、シリカゲル等のケイ素酸化物系、ゼオライト系、アルカリ金属系、白金等の貴金属系等の少なくとも1種を採用できる。脱硫物質の量は可変とされていることが好ましい。水精製部の浄水物質及び脱硫部の脱硫物質が併用されている場合、脱硫物質の量を適宜調整することにより、水精製部の交換時期と脱硫部の交換時期とを同時期とすることができ、水精製部及び脱硫部の交換回数の簡素化に有利となる。
【0030】
・警告部としては、視覚的または聴覚的に警告できるものを例示でき、警告ランプ、警告ブザーを採用できる。
【0031】
・本発明に係る燃料電池は燃料及び酸化剤に基づいて発電するものであり、電池セルを積層した方式を例示できる。代表的な燃料としてはガス状、液体状の燃料を採用でき、炭化水素系等の燃料ガスが挙げられる。燃料ガスとしては、メタン、プロパン、ブタン等の少なくとも1種を主要成分とするガスを用いることができ、天然ガス、メタノール、ガソリン、バイオガスを例示することができる。酸化剤としては空気などの酸素含有ガスを用いることができる。燃料電池は業務用、家庭用、定置用、車載用、固定式、可動式、ポータブル式を問わない。
【0032】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例の構成)
本実施例は定置形の燃料電池システムに適用したものである。本実施例に係る燃料電池システムは、図1に示すように、燃料としての燃料ガスと水蒸気とで改質反応を生じさせて発電に適する水素含有ガスを生成する改質系1Mが設けられている。改質系1Mは、燃料ガスと水蒸気とを反応させて改質反応を生じさせて発電に適する水素含有ガスを生成する改質部1、原料水を蒸発させて改質反応で使用する水蒸気を生成する蒸発部2、改質部1を改質反応に適する温度領域に加熱するための燃焼部13、CO除去部5で構成される。燃焼部13の熱は改質部1に伝達されるため、改質部1は改質反応に適するように高温とされるものであり、改質反応を促進させために触媒を有している。CO除去部5は、改質部1で生成された水素含有ガスに含まれている一酸化炭素を除去するものであり、反応を促進させために触媒を有している。CO除去部5は、シフト反応により一酸化炭素を低減させるCOシフト部と、空気を用いて一酸化炭素を低減させるCO選択酸化部とを有するが、これらに限定されるものではない。
【0033】
燃料ガスを改質部1に熱交換部3を経て供給する燃料供給通路4が設けられている。燃料供給通路4の上流端は、燃料源としての燃料ガス源15(都市ガスの配管)に接続されており、メタン、プロパン、ブタン等の少なくとも1種を主要成分とする燃料ガスを供給する。一般的には燃料ガスは着臭剤としてのメルカプタンなどの硫黄系物質を含む。燃料供給通路4には、2個並設された弁27,28からなる二連弁29,燃料ガス搬送用のポンプ4p、脱硫部4a、弁4b、合流部4cが設けられている。合流部4cは、燃料供給通路4からの燃料ガスと蒸発部2で蒸発された水蒸気とを合流させて混合し、熱交換部3を介して改質部1に供給する。
【0034】
燃焼用の燃料ガスを燃焼部13に供給する燃焼部連通路14が設けられている。燃焼部連通路14は、燃料供給通路4と燃焼部13とを分岐部4mを介して接続する。燃焼部連通路14には、燃焼用の燃料ガスを燃焼部13に向けて搬送するガス搬送源としてのポンプ14pが設けられている。燃料供給通路4から供給された燃料ガスは、ポンプ14pにより燃焼部連通路14を経て燃焼部13に供給され、燃焼部13で燃焼反応に使用されるため、燃焼部13が高温となる。燃焼部13により改質部1が加熱されるため、改質部1の温度を改質反応に適するように温度領域に維持することができ、ひいては改質部1において改質反応により水素含有ガスを効果的に発生させることができる。
【0035】
図1に示すように、燃料電池8が設けられている。燃料電池8は、酸素含有ガスとしての空気(酸化剤ガス)と水素含有ガス(改質ガス)とで発電するものである。燃料電池8は高分子電解質型であり、プロトン伝導度性高分子膜を電解質として用い、その電解質を燃料極と空気極(酸化剤極)とで挟持したセルを複数積層したスタックで構成されている。改質部1で生成された水素含有ガスを弁9aを経て燃料電池8の燃料極に供給する水素供給通路9(燃料供給通路)が設けられている。
【0036】
図1に示すように、酸素含有ガスとしての発電用の空気(酸化剤ガス)を燃料電池8の空気極(酸化剤極)に供給する空気供給通路16(酸化剤供給通路)が設けられている。空気供給通路16には空気清浄化用のフィルタ16a、空気搬送用のファン16b、空気加湿用の加湿部20が設けられている。加湿部20は、燃料電池8の空気極に供給する空気を加湿する。燃料電池8の電解質膜が過剰に乾燥されると、燃料電池8の発電効率が低下するため、燃料電池8の空気極に供給する空気を加湿するものである。
【0037】
燃料電池8の燃料極の出口8eから排出された発電後の燃料ガスである水素含有ガスのオフガスを燃焼部13に流す燃料オフガス通路12が設けられている。燃料オフガス通路12には弁10a、燃料極側の凝縮部10、弁10cが設けられている。燃料極側につながる凝縮部10は、燃料オフガス通路12において燃焼部13と燃料電池8との間に位置するように設けられており、燃料電池8の燃料極の出口8eから排出された水素含有ガスのオフガスに含まれている水分を除去する。これにより水分が除去されたオフガスが燃料オフガス通路12を経て燃焼部13に供給され、燃焼反応として使用される。このように水分が除去されたオフガスが燃焼部13に供給され、燃焼反応として使用されるため、水素含有ガスのオフガスを再利用できる。このとき水素含有ガスのオフガスに含まれている水分が除去されているため、燃焼部13の温度低下が抑えられ、燃焼部13における燃焼反応を良好に行うことができる。
【0038】
燃料電池8の空気極から排出された発電後の空気のオフガスを流して大気中に排出させる空気オフガス通路(酸化剤オフガス通路)18が設けられている。空気オフガス通路18に加湿部20、凝縮部18xが設けられている。燃料電池8の空気極から排出された発電後の空気のオフガスは、加湿部20に水蒸気及び熱を与えた後、更に凝縮部18xを経て外部に排気される。凝縮部18xでは空気のオフガスは冷されて凝縮されるため、凝縮水が生成される。凝縮部18xで生成された凝縮水は高純度であり、吐出路18pを経て水タンク6(水源)に戻され、改質反応用の水蒸気を蒸発部2において生成する水として再利用される。
【0039】
給水源としての水道管と蒸発部2とを接続する原料水供給通路7が設けられている。原料水供給通路7から蒸発部2に供給された水は、蒸発部2において加熱されて水蒸気となり、改質部1における改質反応に使用される。原料水供給通路7には、原料浄水用のフィルタ7a、弁7b、弁7c、原料水の浄化度を高める水精製部7d、水タンク6、原料水搬送用のポンプ7f、開閉制御弁7hが設けられている。水タンク6は水精製部7dの下流側に配置されている。水タンク6は凝縮部10,18xよりも下方に配置されており、吐出路140、弁141を介して凝縮部10と水タンク6は接続されている。燃料電池の燃料極から吐出された水蒸気を含む燃料オフガスは、燃焼部13に供給される前に水分を除去すべく、凝縮部10を通過するため、凝縮部10で凝縮される。凝縮部10内で凝縮された水は、凝縮水であるため、純度が高い。従って凝縮部10内で凝縮された水は、吐出路140、弁141を経て水タンク6に戻され、蒸発部2に供給され、改質反応用の水蒸気を蒸発部2において生成する原料水として再利用される。
【0040】
また図1に示すように、燃料電池8の熱を奪う冷却水が流れる電池用の冷却通路22が設けられている。電池用の冷却通路22には、ポンプ22p、熱交換部23が設けられている。燃料電池8の熱を奪う冷却水が流れる冷却通路22は、改質部1に水を供給する原料水供給通路7とは別系統とされている。従って水精製部7dで精製された水は、燃料電池8の冷却通路22には流れない。単位時間当たり、改質部1に水を供給する原料水供給通路7における通水量は、燃料電池8の熱を奪う冷却通路22における通水量に比較して少ない。例えば、単位時間当たり、原料水供給通路7における通水量は、冷却通路22における通水量に対して1/10以下,1/50以下と少ないものである。上記したように原料水供給通路7と冷却通路22とは別系統とされているため、水精製部7dは大量の水を浄化せずとも良く、水精製部7dの長寿命化を図り得、水精製部7dの交換時期の長期化を図り得る。
【0041】
図1に示すように、燃料電池システム全体で発生する熱を奪って湯として貯留する貯湯部26が湯温センサ26nと共に設けられている。貯湯部26の吐出口26iから延設された熱交換通路31には、冷却水搬送用のポンプ31p、燃料側の凝縮部10が設けられており、更に適宜の部位に図略の複数の熱交換部が設けられている。従って貯湯部26から熱交換通路31を流れた冷却水は、燃料極側の凝縮部10、空気極側の凝縮部18xを経て、更に適宜の部位に設けた図略の複数の熱交換部を流れ、熱交換により加熱され、熱交換部23を経て、貯湯部26の吸入口26oに帰還する。このため、貯湯部26に貯留されている冷却水は熱を帯び、湯となる。貯湯部26の冷却水である湯は、他の用途への給湯源として利用できる。貯湯部26には給水源である水道から水が補給通路26kを経て補給される。制御装置39には各種の信号(S1,S2等)が入力される。なお燃料電池8の発電はインバータ600を経て外部に取り出される。
【0042】
図1に示すように、原料水供給通路7には、原料水供給通路7を流れる単位時間当たりの水の流量を計測する水流量計310が設けられている。具体的には水流量計310は原料水供給通路7のうちポンプ7fの下流側となるようにポンプ7fと開閉制御弁7hとの間に設けられている。水流量計310で計測した単位時間当たりの流量は、制御装置39内の水積算流量計測部に入力されて積算される。水積算流量計測部は、水流量計310を流れた水の流量の合計を計測する。図1に示すように、燃料供給通路4には、燃料供給通路4を流れる単位時間当たりの燃料の流量を計測する燃料流量計330が設けられている。具体的には燃料流量計330は燃料供給通路4のうちポンプ4pの下流側となるようにポンプ4pと脱硫部4aとの間に設けられている。燃料流量計330で計測した単位時間当たりの燃料の流量は、制御装置39内の燃料積算流量計測部に入力されて積算される。燃料積算流量計測部は、燃料流量計330を流れた燃料の流量の合計を計測する。
【0043】
更に説明を加える。本実施例では図2に示すように、水精製部7dは、原料水供給通路7に繋がると共に水が収容される容器100と、容器100内に交換自在に収容され浄水物質102を有する浄水部として機能できる浄水カートリッジ104とを有する。浄水物質102は粒子状のイオン交換樹脂、活性炭などで形成されている。浄水カートリッジ104は多数の透孔を有するカートリッジ本体104aと脱着可能な蓋104bとを有する。蓋104bを脱着すれば、浄水カートリッジ104において浄水物質102の量は可変とされている。浄水カートリッジ104が交換されると、交換スイッチ106がこれを検知し、その検知信号は制御装置39に入力される。
【0044】
電気伝導度センサ300が設けられている。電気伝導度センサ300は、水精製部7dの下流側に配置されており、水精製部7dで精製された水の精製度を検出する水精製度検出部として機能する。電気伝導度センサ300は、水精製部7dで精製された水の電気伝導度を計測することにより水の精製度を検出する。
【0045】
図3に示すように、脱硫部4aは、燃料供給通路4に繋がる容器200と、容器200内に交換自在に収容され脱硫物質202を有する脱硫カートリッジ204とを有する。脱硫物質202としては活性炭等の炭素系、シリカゲル等のケイ素酸化物系、ゼオライト系、アルカリ金属系、白金等の貴金属系等を例示できる。脱硫カートリッジ204は、多数の透孔を有するカートリッジ本体204aと、着脱可能な蓋204bとを有する。蓋204bを脱着すれば、脱硫カートリッジ204において脱硫物質202の量は可変とされている。脱硫カートリッジ204が交換されると、交換スイッチ206がこれを検知し、その検知信号は制御装置39に入力される。
【0046】
なお燃料供給通路4には、パージガス通路500、弁501を経てパージガス源502が繋がれている。パージガス源502はパージガス(一般的には窒素ガス等の不活性ガス)が封入されているボンベである。
【0047】
図4は制御装置39に関係するブロック図を示す。制御装置39は入力処理回路39c、制御回路39d、出力処理回路39e、計測データを格納する記憶素子としてのRAM39f、制御プログラムを格納する記憶素子としてのROM39gを有する。水流量計310からの信号、電気伝導度センサ300からの信号、燃料流量計330からの信号、リセットスイッチ350,351からの信号、システムタイマ340,341からの信号、交換スイッチ106,206からの信号が制御装置39に入力される。システムタイマ340は、水精製部7dの浄水カートリッジ104の交換処理用として使用するために、燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部として機能することができる。システムタイマ341は、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の交換処理用として使用するために、燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部として機能することができる。リセットスイッチ350は、水精製部7dの浄水カートリッジ104を交換したときに信号を出力し、停止中の燃料電池システムの運転を再開させるものである。リセットスイッチ351は、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204を交換したときに信号を出力し、停止中の燃料電池システムの運転を再開させるものである。
【0048】
制御装置39からの出力信号に基づいて、第1警告部361、第2警告部361、第3警告部363、第4警告部364、第5警告部365が制御される。第1警告部361〜第5警告部365は警告ランプでも良いし、警告ブザーでも良い。更に図4ではブロック図では省略されているものの、制御装置39は、ポンプ4p,ポンプ14p,ポンプ31p,ポンプ7f,弁27,弁28,弁4b、弁9a,弁7b,弁7c,弁7h,弁10a,弁10c等を制御する。
【0049】
さて原料水搬送用のポンプ7fの駆動により、給水源(水道源)の水は、原料水供給通路7において、浄水用のフィルタ7a、弁7b、弁7c、原料水の浄化度を高める水精製部7d、水タンク6、水流量計310、開閉制御弁7hを経て蒸発部2に供給される。殊に水精製部7dで水は浄化されて精製される。蒸発部2に供給された水は、蒸発部2において加熱されて水蒸気となり、合流部4cに供給される。また燃料ガス搬送用のポンプ4pの駆動により、燃料ガス源15(都市ガスの配管)の燃料ガスは、燃料供給通路4において2個並設された弁27,28からなる二連弁29,脱硫部4a、弁4b、合流部4cに至る。そして燃料ガスは、蒸発部2から供給された水蒸気と合流部4cで合流し、熱交換部3を経て改質部1に供給される。燃料ガスは水蒸気との改質反応により、燃料電池8での発電反応に適する改質ガスである水素含有ガスとなる。
【0050】
本実施例によれば、水流量計310で計測された水の積算流量Vtが積算流量用のしきい値Vcを越え、且つ、燃料電池システムの積算運転時間Ttが積算運転時間用のしきい値Tcを越えたとき、制御装置39は、水精製部7dの浄水カートリッジ104の交換時期が近いことを警告する第1警告を第1警告部361に出力する。従って警告に基づいて、燃料電池の管理者は水精製部7dの浄水カートリッジ104を交換することができる。
【0051】
また本実施例に係る別の形態によれば、水流量計310で計測された水の積算流量Vtが積算流量用のしきい値Vcを越え、且つ、燃料電池システムの積算運転時間Ttが積算運転時間用のしきい値Tcを越え、更に、電気伝導度センサ300で検出された水の電気伝導度Aが精製用のしきい値A3を越えたとき、制御装置39は、水精製部7dの浄水カートリッジ104の交換時期が更に近いことを警告する第2警告信号を第2警告部362に出力すると共に、燃料電池システムの運転を強制的に停止させる。従って警告に基づいて、燃料電池の管理者は水精製部7dの浄水カートリッジ104を交換することができる。なお水精製部7dの浄水カートリッジ104を交換すれば、交換スイッチ106がこれを検知し、その検知信号は制御装置39に入力され、水の積算流量Vt、燃料電池システムの積算運転時間Ttがクリアされて0にされると共に、停止した燃料電池システムの運転は再開可能となる。
【0052】
上記したような本実施例によれば、改質ガスを形成するための水蒸気となる水に含まれている不純物による汚染が防止される。よって、水精製部7dの浄水カートリッジ104を交換時期を知らずに燃料電池システムの運転を継続してしまい、改質部1、CO除去部5、燃料電池8を劣化させるおそれが解消され、燃料電池システムの故障を未然に防止できる。従って、改質部1、CO除去部5、燃料電池8の保護性が向上する。殊に改質部1、CO除去部5、燃料電池8は反応活性のために白金系またはロジウム系等の貴金属系の触媒を担持していることが多いため、触媒の劣化を抑えるのに有利であり、改質部1、CO除去部5、燃料電池8の長寿命化に貢献できる。
【0053】
本実施例によれば、上記した第2警告が出力されたとしても、水精製部7dの浄水カートリッジ104の寿命にはまだ余裕があるように予め設定されている。このため管理者はリセットスイッチ350を操作すれば、リセットスイッチ350の操作回数がしきい値以内であれば、制御装置39はリセットスイッチ350の操作を優先し、緊急的に燃料電池システムの運転を再開する。
【0054】
但し、リセットスイッチ350の操作回数が操作回数用のしきい値(例えば3回にできるが、これに限定されるものではない)を越えるときには、浄水カートリッジ104の寿命とみなされるため、制御装置39はリセットスイッチ350の操作よりも警告を優先し、リセットスイッチ350をいくら操作しても、燃料電池システムの運転を強制的に停止させ、これにより燃料電池システムの保護性を確保することができる。
【0055】
なお水精製部7dの浄水カートリッジ104を交換すれば、交換スイッチ106がこれを検知し、その検知信号は制御装置39に入力され、水の積算流量Vt、燃料電池システムの積算運転時間Ttがクリアされて0にされると共に、停止した燃料電池システムの運転は再開可能となる。
【0056】
また本実施例では、脱硫処理については、燃料供給通路4を流れた燃料の積算流量Ftが燃料積算流量用のしきい値Fcを越えたとき、制御装置39は、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の交換時期が近いことを警告する警告信号を出力する。警告に基づいて、管理者は脱硫部4aの脱硫カートリッジ204を交換することができる。
【0057】
本実施例の好ましい形態によれば、燃料流量計330で計測された燃料の積算流量Ftが燃料積算流量用のしきい値Fcを越え、且つ、システム積算運転時間計測部で計測された燃料電池システムの積算運転時間Ktが積算運転時間用のしきい値Kcを越えたとき、制御装置39は、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の交換を強く警告する第4警告信号を第4警告部364に出力すると共に、燃料電池システムの運転を停止させる。従って警告に基づいて、燃料電池システムの管理者は脱硫部4aの脱硫カートリッジ204を交換することができる。
【0058】
上記したように脱硫部4aの脱硫カートリッジ204が交換されると、交換スイッチ206がこれを検知し、その検知信号は制御装置39に入力され、燃料の積算流量Ft、燃料電池システムの積算運転時間Ktがクリアされて0にされると共に、燃料電池システムの運転は再開可能となる。なお、燃料電池システムの運転が停止されるときには、パージガス通路500の弁501を所定時間開放することにより、パージガス源502からパージガスを燃料供給通路4に供給する。これにより改質部1、CO除去部5、燃料電池8にパージガスを封入し、これらに担持されている触媒の劣化を抑える。
【0059】
上記したように本実施例によれば、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の交換時期が警告されるため、脱硫部4aの交換時期を知らずに燃料電池システムの運転を継続してしまい、燃料ガスに含まれている硫黄系物質により改質部1、CO除去部5、燃料電池8が劣化してしまうおそれが解消され、燃料電池システムの故障を未然に防止できる。従って本実施例によれば、燃料ガスに含まれている硫黄系物質による汚染が防止され、改質部1、CO除去部5、燃料電池8の保護性が向上する。殊に前述したように改質部1、CO除去部5、燃料電池8は反応活性のために白金系またはロジウム系等の貴金属系の触媒を担持していることが多いが、硫黄系物質による触媒の劣化を抑えるのに貢献できる。なお、水精製部7d及び脱硫部4aが併用されている本実施例によれば、燃料電池システムの運転条件に合うように、浄水カートリッジ104の浄水物質102の量を適宜調整したり、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の脱硫物質202の量を適宜調整したりすれば、水精製部7dの浄水カートリッジ104の交換時期と脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の交換時期とを対応させて同時期とすることも期待できる。
【0060】
本実施例によれば、燃料ガスのオフガスに含まれている水分を凝縮させる凝縮部10内で凝縮された水は、吐出路140を経て水タンク6に戻され、改質反応用の水蒸気を蒸発部2において生成する水として再利用される。同様に空気のオフガスに含まれている水分を凝縮させる凝縮部18x内で凝縮された水は、吐出路18pを経て水タンク6に戻され、改質反応用の水蒸気を蒸発部2において生成する水として再利用される。このように本実施例に係る燃料電池システムは、水を再利用する度合が高いため、改質部1で改質反応に使用する蒸気となる水の割合を相対表示で100としたとき、水精製部7dで精製する水の量は一般的には100のうち0.1〜40程度であり、従って水精製部7dの浄水カートリッジ104の交換時期の頻度は本来的に少なくなるようにされている。
【0061】
(代表的な制御)
図5は水精製部7dの交換処理についての代表的なフローチャートを示す。システム運転フラグが立っているとき、または、システム運転再開フラグが立っているときには、燃料電池システムは運転されるように、本実施例に係る制御則が設定されている。またシステム運転停止フラグが立っているときには、燃料電池システムの運転は停止されるように、本実施例に係る制御則が設定されている。図5に示すように、水精製部7d用の交換スイッチ106がオンされたか否か判定する(ステップS102)。オンされていれば、水精製部7dの浄水カートリッジ104は新しく交換されているため、水の積算流量Vtをクリアにして0にすると共に、システムタイマ340の積算運転時間Ttをクリアにして0にする(ステップS104)。
【0062】
燃料電池システムは運転されているため、燃料電池システムの運転を許容するシステム運転フラグを立てる(ステップS106)。水流量計310で計測された水の流量、電気伝導度センサ300で計測された精製後の水の電気伝導度、システムタイマ340の経過時間を読み込む(ステップS108)。そして原料水供給通路7を流れる水の積算流量Vtを求める(ステップS110)と共に、燃料電池システムの積算運転時間Ttを求める(ステップS112)。なおステップS108,ステップS110は水積算流量計測部として機能することができる。またステップS108,ステップS112はシステム積算運転時間計測部として機能することができる。
【0063】
次に水の電気伝導度、水の積算流量Vt、システムの積算運転時間Ttに関するデータをRAM39fに記憶する(ステップS114)。そして水の積算流量Vtと水の積算流量用のしきい値Vcとを比較する(ステップS116)。燃料電池システムの運転時において水流量計310で計測される水量は、燃料電池8の種類によっても相違するものの、1分間当たり例えば5〜20ccとすることができるが、これに限定されるものではない。積算流量用のしきい値Vcは例えば200リットルとすることができるが、これに限定されるものではない。
【0064】
積算流量Vtが積算流量用のしきい値Vcを越えていなければ(Vt=Vc,Vt<Vc)であれば、浄水カートリッジ104の寿命には余裕があり、燃料電池システムの運転を継続すべく、ステップS106に戻る。これに対して積算流量Vtが積算流量用のしきい値Vcを越えていれば(Vt>Vc)であれば、浄水カートリッジ104の劣化がやや進行しているとみなすことができ、ステップS118に進み、燃料電池システムの積算運転時間Ttと積算運転時間用のしきい値Tcとを比較する。しきい値Tcは例えば4000時間とすることができるが、これに限定されるものではない。積算運転時間Ttが積算運転時間用のしきい値Tcを越えていなければ(Tt=Tc,Tt<Tc)、浄水カートリッジ104の寿命に余裕があるため、燃料電池システムの運転を継続すべく、ステップS106に戻る。燃料電池システムの積算運転時間Ttが積算運転時間用のしきい値Tcを越えていれば(Tt>Tc)、浄水カートリッジ104の劣化がかなり進行しているため、浄水カートリッジ104の交換時期が近いことを警告する第1警告信号を第1警告部361に出力する。
【0065】
本実施例では、水精製用の電気伝導度のしきい値はA1<A2<A3とされている。一般的には水の電気伝導度が高いほど、水に含まれれている不純物は多い。例えば、A1として1μS/cm、A2として50μS/cm、A3として100μS/cmとすることができるが、これらに限定されるものではない。
【0066】
本実施例では上記したように第1警告信号が出力されたら、電気伝導度センサ300で検出された水の電気伝導度Aと精製用のしきい値A1とを比較する(ステップS130)。水の電気伝導度Aが精製用のしきい値A1以内であれば(A<A1,A=A1)、浄水カートリッジ104の寿命に余裕があるため、燃料電池システムの運転を継続すべく、ステップS106に戻る。水の電気伝導度Aが精製用のしきい値A1よりも大きければ(A>A1)であれば、電気伝導度センサ300で検出された水の電気伝導度Aと精製用のしきい値A2とを比較する(ステップS132)。
【0067】
水の電気伝導度Aが精製用のしきい値A2以内であれば(A<A2,A=A2)であれば、浄水カートリッジ104の寿命に余裕があるため、燃料電池システムの運転を継続すべく、ステップS106に戻る。水の電気伝導度Aが精製用のしきい値A2よりも大きければ(A>A2)、電気伝導度センサ300で検出された水の電気伝導度Aと精製用のしきい値A3とを比較する(ステップS134)。
【0068】
水の電気伝導度Aが精製用のしきい値A3以内であれば(A<A3,A=A3)であれば、浄水カートリッジ104の寿命に余裕があるため、燃料電池システムの運転を継続すべく、ステップS106に戻る。水の電気伝導度Aが精製用のしきい値A3よりも大きければ(A>A3)、浄水カートリッジ104の寿命が近いとみなされるため、システム運転フラグを立て、燃料電池システムを停止させると共に(ステップS136)、第2警告部362に第2警告信号を出力する(ステップS138)。これにより管理者は水精製部7dの浄水カートリッジ104を交換することができる。
【0069】
しかし上記した警告が出力されても、水精製部7dの浄水カートリッジ104は、少ない時間であれば、まだ水を精製できるように水精製部7dは設定されている。このため、水精製部7dの浄水カートリッジ104が交換されないときであっても、水精製部7dの浄水カートリッジ104の寿命にまだ余裕があり、燃料電池システムの運転を緊急的に再開する必要があるときには、管理者は水精製部7d用のリセットスイッチ350を操作してオンとすることができる。
【0070】
このためリセットスイッチ350が操作されているか否か判定する(ステップS140)。リセットスイッチ350が操作されていないときには、待機する。リセットスイッチ350が操作されているときには、リセットスイッチ350の操作回数が操作回数用のしきい値W1(例えば3回にできるが、これに限定されるものではない)以内であるか否か判定する(ステップS142)。リセットスイッチ350の操作回数が操作回数用のしきい値W1以内であるときには、水精製部7dの浄水カートリッジ104の寿命にはまだ若干余裕があるため、警告よりもリセットスイッチ350の操作を優先し、システム運転再開フラグを立て、燃料電池システムの運転を再開する(ステップS144)。なおステップS144は、停止中の燃料電池システムの運転を再開させる運転再開部としても機能することができる。
【0071】
これに対してリセットスイッチ350の操作回数が操作回数用のしきい値W1を越えているときには、浄水カートリッジ104は寿命とみなされるため、制御装置39は、第3警告部363に第3警告信号を出力し(ステップS144)、更にリセットスイッチ340の操作よりも警告を優先し、システム運転停止フラグを立て、燃料電池システムの運転を不能とし(ステップS146)、メインルーチンにリターンする。この場合、リセットスイッチ340が操作されても、浄水カートリッジ104を交換しない限り、燃料電池システムの運転は再開されない。なおステップS146は運転再開不能部として機能することができる。リセットスイッチ350が操作されないときには、燃料電池システムの運転停止を継続する。
【0072】
一般的には、水の電気伝導度を電気伝導度センサ300によりセンシングするときには、誤差が往々にして伴うことがある。この点本実施例ではステップS130,132,134に先立ってステップS116,118を実施し、水の積算流量Vt,積算運転時間Ttを判断基準として判断することにしている。このため電気伝導度センサ300により検出された水の電気伝導度Aとしきい値A1,A2,A3とを比較する頻度をできるだけ少なくでき、判定誤差を無くすのに有利であり、システムの信頼性を向上させ得る。なお、浄水カートリッジ104の交換の際に、RAM39fに記憶されている電気伝導度、水の積算流量Vt、システムの積算運転時間Ttに関するデータを調査すれば、浄水カートリッジ104の汚染進行状況を把握することができる。
【0073】
図7は脱硫部4aの交換処理についての代表的なフローチャートを示す。図7に示すように、脱硫部4a用の交換スイッチ206がオンされているか否か判定する(ステップS202)。オンされていれば、脱硫部4aの浄水カートリッジ104は新しく交換されているため、燃料の積算流量Ftをクリアにして0にすると共に、脱硫部4a用のシステムタイマ341で計測している燃料電池システムの積算運転時間Ktをクリアにして0にする(ステップS204)。燃料電池システムの運転を許容すべく、システム運転フラグを立てる(ステップS206)。更に、そして燃料流量計330で計測された燃料の流量、脱硫部4a用のシステムタイマ341の経過時間を読み込む(ステップS208)。そして燃料供給通路4を流れた燃料の積算流量Ftを求める(ステップS210)と共に、脱硫部4a交換処理用の積算運転時間Ktを求める(ステップS212)。積算流量Ft、積算運転時間Ktに関するデータをRAM39fに記憶する(ステップS214)。そして、燃料流量計330で計測された燃料の積算流量Ftと積算流量用のしきい値Fcとを比較する(ステップS216)。しきい値Fcは硫黄系物質を吸着できる全吸着量の1/5程度とすることができるが、これに限定されるものではない。
【0074】
燃料の積算流量Ftが積算流量用のしきい値Fcを越えていなければ(Ft<Fc,Ft=Fc)、脱硫部4aの寿命に余裕があるため、燃料電池システムの運転を継続すべくステップS206に戻る。これに対して燃料の積算流量Ftが積算流量用のしきい値Fcを越えていれば(Ft>Fc)、脱硫カートリッジ204の劣化がやや進行しているため、ステップS218に進み、燃料電池システムの積算運転時間Ktと積算運転時間用のしきい値Kcとを比較する。しきい値Kcは例えば3000時間とすることができるが、これに限定されるものではない。燃料電池システムの積算運転時間Ktが積算運転時間用のしきい値Kcを越えていなければ(Kt<Kc,Kt=Kc)、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の寿命に余裕があるとみなされるため、燃料電池システムの運転を継続すべくステップS206に戻る。
【0075】
積算運転時間Ktが積算運転時間用のしきい値Kcを越えていれば(Kt>Kc)、脱硫部4aの寿命が近いとみなされるため、システム運転停止フラグを立て、燃料電池システムの運転を停止させると共に(ステップS220)、脱硫カートリッジ204の交換時期が近いことを警告する第4警告信号を第4警告部364に出力する(ステップS222)。これにより管理者は脱硫部4aの脱硫カートリッジ204を交換することができる。
【0076】
本実施例では、第4警告信号が出力されたとしても、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の寿命にまだ余裕があるように設定されている。このため燃料電池システムの運転を緊急的に再開する必要があるときには、管理者は脱硫部4a用のリセットスイッチ351を操作することができる。そこで脱硫部4a用のリセットスイッチ350が操作されていれば、リセットスイッチ351の操作回数が操作回数用のしきい値W2(例えば3回にできるが、これに限定されるものではない)以内であるか否か判定する(ステップS224)。リセットスイッチ351の操作回数が操作回数用のしきい値W2以内であるときには、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の寿命にまだ余裕があるとみなされるため、リセットスイッチ351の操作に基づいてシステム運転再開フラグを立て、燃料電池システムの運転を再開する(ステップS232)。これに対してリセットスイッチ351の操作回数が操作回数用のしきい値W2を越えているときには、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204の寿命とみなされるため、制御装置39は、脱硫カートリッジ204の交換時期を強く警告する第5警告信号を第5警告部に365に出力し(ステップS228)する。更に、リセットスイッチ340の操作の有無にかかわらず、システム運転停止フラグをたて、燃料電池システムを停止させ(ステップS230)、メインルーチンにリターンする。警告により管理者は脱硫部4aの脱硫カートリッジ204を交換することができる。ステップS232は燃料電池システムの運転を再開する運転再開部として機能できる。ステップS230は、脱硫部4aの脱硫カートリッジ204が交換されない限り燃料電池システムの運転の再開を不能とする運転再開不能部として機能できる。なおリセットスイッチ351が操作されないときには、燃料電池システムの運転停止を継続する。
【0077】
上記したように脱硫部4aの脱硫カートリッジ204を交換すれば、燃料に含まれている硫黄系物質が改質部1、CO除去部5、燃料電池8に供給されることが抑えられる。従って改質部1、CO除去部5、燃料電池8の保護性が向上する。殊に改質部1、CO除去部5、燃料電池8は反応活性のために触媒を担持していることが多いため、触媒劣化を抑えるのに有利である。脱硫カートリッジ204の交換の際に、RAM39fに記積されている燃料の積算流量Ft、積算運転時間Ktに関するデータを調査すれば、脱硫カートリッジ204の汚染進行状況を把握することができる。
【0078】
(その他)
その他本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
【0079】
(付記項1)燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し改質ガスを前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、前記改質部に繋がり前記改質部における改質反応に使用される水蒸気となる水を精製する浄水物質を有する水精製部を有する原料水供給通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記水精製部で精製された水の精製度を検出する水精製度検出部と、前記原料水供給通路を流れる水の積算流量を計測する水積算流量計測部と、燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部とを有しており、
(a)(b)のうちの少なくとも一方の条件が満たされたとき、前記水精製度検出部により前記水精製部で精製された水の精製度と精製用のしきい値とを比較し、前記水精製度検出部で計測された水の精製度が精製用のしきい値を越えたとき、前記水精製部の浄水物質の交換を警告する警告部とを有することを特徴とする燃料電池システム。
(a)前記水積算流量計測部で計測された水の積算流量が積算流量用のしきい値を越えたとき。
(b)燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき。
【0080】
一般的には、水の精製度(一般的には電気伝導度)を水精製度検出部(一般的には電気伝導度センサ)によりセンシングするときには、誤差が伴い易い。しかし上記したようにすれば、水精製度検出部により検出された水の精製度と精製用のしきい値とを比較する操作を少なくでき、判定誤差を無くすのに有利である。
【0081】
(付記項2)燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し改質ガスを前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、前記改質部に繋がり前記改質部における改質反応に使用される水蒸気となる水を精製する浄水物質を有する水精製部を有する原料水供給通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記水精製部で精製された水の精製度を検出する水精製度検出部と、前記原料水供給通路を流れる水の積算流量を計測する水積算流量計測部と、燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部と、停止中の燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチとを有しており、
(a)(b)(c)(e)の条件が全てみたされたとき、リセットスイッチが操作されても、水精製部の浄水物質が交換されない限り、燃料電池システムの運転を停止させる運転再開不能部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
(a)前記水積算流量計測部で計測された水の積算流量が積算流量用のしきい値を越えたとき。
(b)燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき。
(c)水精製度検出部で計測された水の精製度が精製用のしきい値を越えたとき。
(e)リセットスイッチの操作回数がしきい値を越えたとき。
この場合、リセットスイッチの操作回数がしきい値以内であれば、緊急的に燃料電池システムを運転できる。
【0082】
(付記項3)燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し改質ガスを前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、前記燃料供給通路に設けられ燃料に含まれている硫黄系物質を除去する脱硫物質を有する脱硫部とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給通路を流れる燃料の積算流量を計測する燃料積算流量計測部と、
燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部と、停止中の燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチとを有しており、
(a)(b)(c)の条件が全てみたされたとき、リセットスイッチが操作されても、脱硫部の脱硫物質が交換されない限り、燃料電池システムの運転を停止させる運転再開不能部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
(a)前記燃料積算流量計測部で計測された燃料の積算流量が積算流量用のしきい値を越えたとき。
(b)燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき。
(c)リセットスイッチの操作回数がしきい値を越えたとき。
この場合、リセットスイッチの操作回数がしきい値以内であれば、緊急的に燃料電池システムを運転できる。
【0083】
【発明の効果】
第1発明に係る燃料電池システムによれば、水精製度検出部で検出された水の精製度が精製用のしきい値を越えたとき、警告部は、水精製部の浄水物質の交換を警告する。これにより水精製部の浄水物質を交換すれば、水に含まれている不純物が改質部、燃料電池に供給されることが抑えられる。従って改質部、燃料電池の保護性が向上する。殊に改質部、燃料電池は反応活性のために触媒を担持していることが多いため、触媒劣化を抑えるのに有利である。殊に、燃料電池を冷却する冷却通路に通水される水を精製するのではなく、改質部における改質反応に使用される水蒸気となる水を水精製の浄水物質で精製することにしているため、単位時間当たりに精製する水量を少なくでき、水精製の浄水物質の交換頻度を少なくできる。
【0084】
第2発明に係る燃料電池システムによれば、水積算流量計測部で計測された水の積算流量が積算流量用のしきい値を越えたとき、警告部は、水精製部の浄水物質の交換を警告する。これにより水精製部の浄水物質を交換すれば、水に含まれている不純物が改質部、燃料電池に供給されることが抑えられる。従って改質部、燃料電池の保護性が向上する。殊に改質部、燃料電池は反応活性のために触媒を担持していることが多いため、触媒劣化を抑えるのに有利である。
【0085】
第3発明に係る燃料電池システムによれば、燃料積算流量計測部で計測された燃料の積算流量が燃料積算流量用のしきい値を越えたとき、警告部は脱硫部の脱硫物質の交換を警告する。これにより脱硫部の脱硫物質を交換すれば、燃料に含まれている硫黄系物質が改質部、燃料電池に供給されることが抑えられる。従って改質部、燃料電池の保護性が向上する。殊に改質部、燃料電池は反応活性のために触媒を担持していることが多いため、触媒劣化を抑えるのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池システムの配管図である。
【図2】水精製部の構造を模式的に示す断面図である。
【図3】脱硫部の構造を模式的に示す断面図である。
【図4】制御装置に関係するブロック図である。
【図5】水精製部の交換処理に関するフローチャートである。
【図6】水精製部の交換処理に関するフローチャートである。
【図7】脱硫部の交換処理に関するフローチャートである。
【符号の説明】
図中、1は改質部、8は燃料電池、4は燃料供給通路、4aは脱硫部、7は原料水供給通路、7dは水精製部、16は空気供給通路(酸化剤供給通路)、100は容器、102は浄水物質、104は浄水カートリッジ、106は交換スイッチ、200は容器、202は脱硫物質、204は脱硫カートリッジ、300は電気伝導度センサ(水精製度検出部)、310は水流量計、330は燃料流量計、340はシステムタイマ(システム積算運転時間計測部)、341はシステムタイマ(システム積算運転時間計測部)、350はリセットスイッチ、351はリセットスイッチ、361〜365は警告部、39は制御装置を示す。
Claims (6)
- 燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、
供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し前記改質ガスを前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、
原料水を蒸発させて前記改質部における前記改質反応で使用する水蒸気を生成する蒸発部と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、
前記蒸発部に原料を供給すべく前記蒸発部と給水源とを接続し、前記改質部における改質反応に使用される水蒸気となる水を精製する浄水物質を有する水精製部を有する原料水供給通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記水精製部で精製された水の精製度を検出する水精製度検出部と、
前記水精製度検出部で計測された水の精製度が精製用のしきい値を越えたとき、前記水精製部の浄水物質の交換を警告する警告部とを有しており、
前記警告部による前記警告は、前記水精製部の浄水物質の交換時期が近いことを警告する警告と、燃料電池システムの運転を強制的に停止させる運転停止とを含み、
燃料電池システムの前記強制的な運転停止後に燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチが設けられており、
前記リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるとき、前記リセットスイッチの操作により燃料電池システムの運転を再開可能とする運転再開部が設けられており、
前記リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値を越えるとき、前記リセットスイッチを操作しても、前記水精製部の前記浄水物質を交換しない限り、燃料電池システムの運転の再開を不能とする運転再開不能部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、
供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し前記改質ガスを前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、
原料水を蒸発させて前記改質部における前記改質反応で使用する水蒸気を生成する蒸発部と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、
前記蒸発部に原料を供給すべく前記蒸発部と給水源とを接続し、前記改質部における改質反応に使用される水蒸気となる水を精製する浄水物質を有する水精製部を有する原料水供給通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記原料水供給通路を流れる水の積算流量を計測する水積算流量計測部と、
前記水積算流量計測部で計測された水の積算流量が積算流量用のしきい値を越えたとき、前記水精製部の浄水物質の交換を警告する警告部とを有しており、
前記警告部による前記警告は、前記水精製部の浄水物質の交換時期が近いことを警告する警告と、燃料電池システムの運転を強制的に停止させる運転停止とを含み、
燃料電池システムの前記強制的な運転停止後に燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチが設けられており、
前記リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるとき、前記リセットスイッチの操作により燃料電池システムの運転を再開可能とする運転再開部が設けられており、
前記リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値を越えるとき、前記リセットスイッチを操作しても、前記水精製部の前記浄水物質を交換しない限り、燃料電池システムの運転の再開を不能とする運転再開不能部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2において、燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部が設けられ、
更なる警告判定条件として、燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき、前記警告部は水精製部の浄水物質の交換を更に警告することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料極及び酸化剤極で電解質を挟持した燃料電池と、
供給された燃料を水蒸気との改質反応により改質ガスに改質する改質部を有し改質ガスを前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給通路と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、
前記燃料供給通路に設けられ燃料に含まれている硫黄系物質を除去する脱硫物質を有する脱硫部とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給通路を流れる燃料の積算流量を計測する燃料積算流量計測部と、
前記燃料積算流量計測部で計測された燃料の積算流量が燃料積算流量用のしきい値を越えたとき、前記脱硫部の脱硫物質の交換を警告する警告部とを有しており、
前記警告部による前記警告は、前記脱硫部の脱硫物質の交換時期が近いことを警告する警告と、燃料電池システムの運転を強制的に停止させる運転停止とを含み、
燃料電池システムの前記強制的な運転停止後に燃料電池システムの運転を再開させるリセットスイッチが設けられており、
前記リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値以内であるとき、前記リセットスイッチの操作により燃料電池システムの運転を再開可能とする運転再開部が設けられており、
前記リセットスイッチの操作回数が操作回数用のしきい値を越えるとき、前記リセットスイッチを操作しても、前記脱硫部の前記脱硫物質を交換しない限り、燃料電池システムの運転の再開を不能とする運転再開不能部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4において、燃料電池システムの積算運転時間を計測するシステム積算運転時間計測部が設けられ、
前記燃料積算流量計測部で計測された燃料の積算流量が燃料積算流量用のしきい値を越え、且つ、前記システム積算運転時間計測部で計測された燃料電池システムの積算運転時間が積算運転時間用のしきい値を越えたとき、
前記警告部は前記脱硫部の交換を警告することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4において、蒸発部に原料を供給すべく前記蒸発部と給水源とを接続し前記改質部における改質反応に使用される水蒸気となる水を精製する浄水物質を有する水精製部をもつ原料水供給通路を備えており、
前記水精製部の前記浄水物質の交換時期と前記脱硫部の前記脱硫物質の交換時期とが同時期に設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
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