JP5041704B2

JP5041704B2 - 燃料電池発電システム、その運転方法、プログラム、及び記録媒体

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Publication number: JP5041704B2
Application number: JP2006011599A
Authority: JP
Inventors: 雅夫山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: JP2007194085A

Description

本発明は燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。

燃料電池発電システムは、プロトン導電性機能を有する電解質膜の両側に、触媒を担持した一対の電極を配置し電解質膜／電極結合体を形成した後、当該電解質膜／電極結合体の両側に、反応ガス通流路を設けたセパレータを配置して燃料電池を構成し、当該燃料電池の一方のセパレータの反応ガス通流路から水素等を含有した燃料ガスを、また他方のセパレータの反応ガス通流路から空気等の酸化剤ガスを供給し、電解質膜／電極結合体における電極触媒上で酸化還元反応を利用して発電を行い、同時に、燃料電池に冷却水を循環させ、燃料電池で発生する熱を温水として回収するシステムである。

このような燃料電池発電システムにおいては、燃料電池における漏電を回避する為、燃料電池を循環する冷却水には電気伝導度の低い水が要求される。

一般的には、燃料電池から排出される酸化剤ガスや燃料ガスに含まれる水分を、熱交換器を介して回収水として回収し、当該回収水をイオン交換樹脂で構成される浄水ユニットで浄水処理した水を冷却水として利用していた。

具体的には、回収水を一旦回収水タンクに貯え、当該回収水を回収水タンクからポンプ等の輸送手段で浄水ユニットに送り込み、浄水処理した水を冷却水として冷却水タンクに供給し、冷却水タンクからポンプ等の輸送手段で冷却水を燃料電池に循環させていた。

ここで、冷却水が燃料電池を循環する過程で、配管部材や燃料電池の構成部材から不純物が冷却水中に溶出し、冷却水の電気伝導度が経時的に上昇する。このような冷却水の電気伝導度の上昇を防止する為、燃料電池発電システムの起動時や停止処理時等に、浄水ユニットを用いて冷却水を浄水処理していた。

具体的には、冷却水タンクと回収水タンクを配管によって連結し、燃料電池発電システムの起動時や停止処理時等に、回収水タンクからポンプ等の輸送手段で回収水を冷却水タンクに汲み上げ、冷却水を冷却水タンクに設けた開口部から回収水タンクに戻し、回収水と共に、浄水ユニットを用いて浄水処理していた。かかる、一連の操作は、冷却水の浄水処理のみならず、特に燃料電池発電システムの停止処理時においては、燃料電池を早急に冷却する点においても効果的な手段であった（例えば、特許文献１参照。）。

図４は、特許文献１に記載された、従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。図４に示す燃料電池発電システムにおいて、燃料電池２１は、燃料処理器２２で燃料ガスを改質して得た水素と空気ブロア２５から供給される酸化剤ガスとしての空気を利用して発電を行っていた。又、燃料電池２１を介して設置されている冷却水経路２１３に、ポンプ２１２によって、冷却水タンク２８から冷却水を循環させ、燃料電池２１を冷却し、同時に、熱交換器により燃料電池２１で発生した熱を温水として回収していた。

又、燃料電池２１から排出される空気及び燃料ガスは、空気側熱交換器２４と燃料側熱交換器２３により回収水と排空気及び燃料排ガスに分離され、排空気及び燃料排ガスは燃料電池発電システムの外に排出され、回収水は回収水タンク２１１に貯えられる。この回収水タンク２１１に貯えられた回収水は、ポンプ２６によってイオン交換樹脂で構成される浄水ユニット２７に送られ浄水処理された後、冷却水タンク２８に送り込まれていた。

一方、冷却水タンク２８の側面には開口部２９が設けられ、燃料電池発電システムの起動時や停止処理時等にポンプ２６を稼動させ、回収水を冷却水タンク２８に送り込むことにより、冷却水は開口部２９及びオーバーフロー経路２１０を介して回収水タンク２１１に戻され、回収水と共に浄水ユニット２７により浄水処理されていた。
特開２００２−１４１０９５号公報

上記特許文献１に記載される従来の構成では、冷却水の減少分のみを回収水タンクから補充する範囲に限れば、大気温度に近い状態の回収水タンク内の水が、浄水ユニットを構成しているイオン交換膜を通過するため、イオン交換膜が熱劣化を引き起こす可能性は低い。

しかしながら、冷却水の浄水処理をする場合には、冷却水タンク内の水の大部分を一旦、回収水タンクの方に戻して、高温となっている冷却水と回収水とが混合した状態でイオン交換膜を有する浄水ユニットを通過させることになるため、イオン交換膜は、熱による劣化を起こす可能性が高まるといった課題があった。

本発明は、上記従来の燃料電池発電システムの課題を考慮し、従来と比べてイオン交換樹脂の熱劣化の可能性を低減し、寿命を長くすることが可能な燃料電池発電システム、及びその運転方法を提供することである。

上記課題を解決するために、第１の本発明は、
水素含有ガスと酸化剤ガスを利用して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための水を貯える冷却水タンクと、
前記燃料電池から排出された前記水素含有ガス及び／又は前記酸化剤ガスから回収した水分を貯える回収水タンクと、
前記冷却水タンクから前記回収水タンクへと水を導く第１の配管と、
前記回収水タンクから前記冷却水タンクへと水を導く第２の配管と、
前記回収水タンクから前記冷却水タンクへと送水するために、前記第２の配管に設けられた送水ユニットと、
前記送水ユニットにより送られる水を浄水処理するために、前記第２の配管に設けられた浄水ユニットと、を備え、
前記回収水タンクにおける最小貯水量をＷ１、運転時における前記回収水タンクの水の温度をＴ１、前記冷却水タンクにおける最大貯水量をＷ２、運転時における前記冷却水タンクの水の温度をＴ２とし、前記浄水ユニットの耐熱温度をＴ３とすると、（数１）の関係を充足するようＷ１、Ｗ２が設定されており、
前記Ｔ１は、前記回収水タンクにおける水の予測最高温度Ｔ１ _ｍａｘであり、
前記Ｔ２は、前記冷却水タンクにおける水の予測最高温度Ｔ２ _ｍａｘである、燃料電池発電システムである。

また、第２の本発明は、
前記回収水タンク内の水量を計測する水量検知ユニットと、
前記回収水タンクに、前記Ｔ３によりも低い温度の水を補充する水補充ユニットと、
前記水補充ユニットを制御する制御ユニットと、を備え、
前記制御ユニットは、
前記水量検知ユニットによって検出される前記回収水タンクの貯水量が、前記Ｗ１より少なくならないように前記水補充ユニットを動作させる、第１の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第３の本発明は、
前記冷却水タンクは、その側面に開口部を有し、
前記第１の配管は、前記開口部に接続され、
前記冷却水タンクは、前記回収水タンクよりも上方に設置され、
前記冷却水タンクの前記開口部よりも下側部分の体積が、前記Ｗ２に相当することによって、前記冷却水タンクの貯水量が前記Ｗ２を超えないように設定されている、第１の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第４の本発明は、
前記第１の配管に設けられた、水質を検知するための水質検知ユニットを備え、
前記制御ユニットは、
前記水質検知ユニットによる検出値が所定の値以下になるまで、前記送水ユニットを動作させる、第１の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第５の本発明は、
停止処理時または起動時に、
前記冷却水タンク内の水容積に相当する量の水が前記冷却水タンクに供給されるまで前記送水ユニットを動作させることを特徴とする、第１の本発明の燃料電池発電システム。

また、第６の本発明は、
水素含有ガスと酸化剤ガスを利用して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための水を貯える冷却水タンクと、
前記燃料電池から排出された前記水素含有ガス及び／又は前記酸化剤ガスから回収した水分を貯える回収水タンクと、
前記冷却水タンクから前記回収水タンクへと水を導く第１の配管と、
前記回収水タンクから前記冷却水タンクへと水を導く第２の配管と、
前記回収水タンクから前記冷却水タンクへと送水するために、前記第２の配管に設けられた送水ユニットと、
前記送水ユニットにより送られる水を浄水処理するために、前記第２の配管に設けられた浄水ユニットと、
前記回収水タンク内の水量を計測する水量検知ユニットと、
前記回収水タンクに水を補充する水補充ユニットと、を備え、
前記回収水タンクにおける最小貯水量をＷ１、運転時における前記回収水タンクの水の温度をＴ１、前記冷却水タンクにおける最大貯水量をＷ２、運転時における前記冷却水タンクの水の温度をＴ２とし、前記浄水ユニットの耐熱温度をＴ３とすると、（数１）の関係を充足するようＷ１、Ｗ２が設定されており、前記補充される水の温度はＴ３よりも低い温度であり、前記Ｔ１は、前記回収水タンクにおける水の予測最高温度Ｔ１ _ｍａｘであり、前記Ｔ２は、前記冷却水タンクにおける水の予測最高温度Ｔ２ _ｍａｘである、燃料電池発電システムを利用した、
燃料電池システムの運転方法であって、
前記水量検知ユニットによって検出される前記回収水タンクの貯水量が、前記Ｗ１より少なくならないように前記水補充ユニットを動作させるステップを有する、燃料電池発電システムの運転方法である。

また、第７の本発明は、
第６の本発明の燃料電池発電システムの運転方法の、前記水量検知ユニットによって検出される前記回収水タンクの貯水量が、前記Ｗ１より少なくならないように前記水補充ユニットを動作させるステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。

また、第８の本発明は、
第７の本発明のプログラムを記録した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。

本発明によれば、従来と比べてイオン交換樹脂の熱劣化の可能性を低減し、寿命を長くすることが可能な燃料電池発電システム、及び、その運転方法を提供することが出来る。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
以下に、本発明にかかる実施の形態における燃料電池発電システムについて説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態における燃料電池発電システムは、水素を含有した燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１１と、原燃料ガスを改質して水素を含有した燃料ガスを生成する燃料処理器１２と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１１に供給する空気ブロア１５とを備えている。

この燃料電池１１を冷却するための冷却水を貯える冷却水タンク１８と、冷却水タンク１８と燃料電池１１の間を連結する冷却水経路１１６と、冷却水経路１１６上に冷却水を循環させるためのポンプ１９が設けられている。

又、燃料電池１１から排出される排空気及び燃料排ガスに含まれる水分を凝縮するための空気側熱交換器１４及び燃料側熱交換器１３と、凝縮された水分を回収水として貯えるための、回収水タンク１１３が設けられている。

上記冷却水タンク１８の側面に開口して形成された開口部１１４と、回収水タンク１１３を連結するオーバーフロー経路１１０が設けられている。尚、冷却水タンク１８は、回収水タンク１１３よりも上方に配置されている。又、オーバーフロー経路１１０には、水質検知ユニット１１１が設けられている。ここで、冷却水タンク１８の底面から開口部１１４の下限までの長さをレベルａとする。

また、回収水タンク１１３から冷却水タンク１８へと回収水を送水するための回収水供給経路１１７が設けられており、この回収水供給経路１１７にはポンプ１６及び浄水ユニット１７が設けられている。この浄水ユニット１７は、イオン交換樹脂（室町ケミカル株式会社製；商品名Ｍｕｒｏｍａｃ（Ｒ）ＸＳＰ−Ｍ、耐熱温度６０℃）から構成されている。

また、回収水タンク１１３には、水量を検出するためのレベルセンサー１１５と、回収水タンク１１３に水道水を補給する水補充ユニット１１８が設けられている。

さらに、上記レベルセンサー１１５の値に基づいて、ポンプ１６及び水補充ユニット１１８を制御する制御ユニット１１２が設けられている。

ここで、冷却水タンク１８は、冷却水タンク１８の底面から開口部１１４の下限（図１においてレベルａと表示）までの容積が１．０リットルに構成されている。このレベルａまでの冷却水タンク１８の容積が、本発明の冷却水タンクにおける最大貯水量の一例に相当し、予め設定された最大限許容される貯水量である。すなわち、レベルａを超えた冷却水はオーバーフロー経路１１０を通り、重力により回収水タンク１１３へと移動し、回収水と混合する。

また、回収水タンク１１３は、回収水タンク１１３の底面からレベルセンサー１１５の下限（図１において、レベルｂと表示）までの容積が２．５リットルに構成されている。このレベルｂまでの回収水タンク１１３の容積が、本発明の回収水タンクにおける最小貯水量の一例に相当し、予め設定された最小限確保されるべき貯水量である。

上述した回収水タンク１１３における最小貯水量をＷ１、冷却水タンク１８における最大貯水量をＷ２、回収水タンク１１３における水の温度をＴ１、冷却水タンク１８における水の温度をＴ２とすると、下記（数１）を充足するように、上記Ｗ１及びＷ２は設計されている。ここで、Ｔ１及びＴ２の値は、浄水ユニット１７に対して所望する寿命期間に従って、適宜設定することができる。

しかしながら、浄水ユニット１７の寿命をより長くする観点からは、水の予測最高温度をＴ１_ｍａｘとし、冷却水タンク１８における水の予測最高温度をＴ２_ｍａｘとし、下記（数２）を満たすように、Ｗ１及びＷ２が設計されている方が好ましい。以下、Ｔ１をＴ１_ｍａｘ、Ｔ２をＴ２_ｍａｘとし説明する。

この（数２）の右辺は、冷却水タンク１８および回収水タンク１１３における水温が、予測される最高温度である状態において、冷却水タンク１８内の冷却水の最大貯水量と、回収水タンク１１３内の、冷却水よりも温度の低い回収水の最小貯水量が全て混合し、平衡状態に達した状態の温度を示している。すなわち、（数２）の右辺は、浄水ユニット１７に流入する水温が最も高くなる場合の温度を示している。

本実施の形態の燃料電池発電システムは、平衡状態の温度が耐熱温度Ｔ３以下になるように設計されているため、浄水ユニット１７に流入する水の温度は耐熱温度Ｔ３よりも小さくなり、浄水ユニット１７のイオン交換膜の熱劣化を防ぐことが可能となる。

各値の一例としては、本実施の形態ではＴ１_ｍａｘは約４０℃、Ｔ２_ｍａｘは約９０℃、Ｗ１は２．５リットル、およびＷ２は１．０リットルであるため、右辺は５４℃となる。一方、左辺の耐熱温度は、上述したように６０℃であるため、（数２）を満たしている。

尚、本発明の第１の配管の一例は、本実施の形態のオーバーフロー経路１１０に相当し、本発明の第２の配管の一例は、本実施の形態の回収水供給経路１１７に相当する。又、本発明の送水ユニットの一例は、本実施の形態のポンプ１６に相当し、本発明の浄水ユニットの一例は、本実施の形態の浄水ユニット１７に相当する。又、本発明の水補充ユニットの一例は、本実施の形態の水補充ユニット１１８に相当し、本発明の水量検知ユニットの一例は、本実施の形態のレベルセンサー１１５に相当する。

以下に、本発明の燃料電池発電システムの運転方法の一例である冷却水の浄水処理について説明する。尚、冷却水の浄化処理は、燃料電池発電システムの起動時や停止処理時に主に行われるが、これに限らず通常運転時や所定時間毎に行われても良い。

はじめに、制御ユニット１１２がポンプ１６を稼動することにより、回収水タンク１１３から冷却水タンク１８に回収水が送り込まれる。そして、レベルａの水位を超えた冷却水は、オーバーフロー経路１１０を通り回収水タンク１１３に流入する。このように冷却水タンク１８内の冷却水は、オーバーフロー経路１１０、回収水タンク１１３、および回収水供給経路１１７を通り、再び冷却水タンク１８に戻る経路を循環し、浄水ユニット１７で浄化される。

そして、制御ユニット１１２は、水質検知ユニット１１１で検知した冷却水タンク１８からオーバーフローする冷却水の水質が、基準値として規定した２μＳ／ｃｍ以下になるまでポンプ１６の稼動を続け、水質検知ユニット１１１で検知した値が、基準値である２μＳ／ｃｍ以下になった時点で、ポンプ１６を停止する。

また、浄水処理において、制御ユニット１１２は、回収水タンク１１３における回収水の水位がレベルセンサー１１５の下限レベルｂを下回らないように、水補充ユニット１１８を動作させ、２５℃の水道水を回収水タンク１１３に補充することにより、回収水タンク１１３の貯水量が、常にレベルｂの面を超える水位を維持するように制御が行われる。

上述した浄水処理において、冷却水タンク１８から高温の水が、オーバーフロー経路１１０を通って回収水タンク１１３に流入し、回収水タンク１１３内の水と混合し、回収水タンク１１３内の水は次第に昇温する。更に、ポンプ１６を稼動させると、冷却水タンク１８内の水と回収水タンク１１３内の水を混合した平衡温度に達する。

ここで、本実施の形態では、例えば発電時では、冷却水タンク１８内の水の温度が７０℃であり、回収水タンク１１３内の水の温度が３５℃であるため、冷却水タンク１８内の冷却水の最大貯水量と、回収水タンク１１３内の最小貯水量が混合した平衡温度は４５℃となる。

従って、上述した（数２）の右辺で規定される温度５４℃よりも小さくなり、浄水ユニット１７の耐熱温度Ｔ３（６０℃）よりも小さくなるため、イオン交換膜の熱劣化を防ぐことができる。

以上より、本実施の形態の燃料電池発電システムは、（数２）を満たすように設計されているため、最小貯水量Ｗ１を保つよう制御すれば、浄水ユニット１７に流入する水の温度は、イオン交換膜の耐熱温度Ｔ３よりも低くなり、イオン交換膜の熱劣化を出来るだけ低減した状態で、冷却水の浄水処理を行うことができる。

尚、燃料電池１１を循環する冷却水の温度、燃料電池１１から排気される排空気及び燃料排ガスから回収する回収水の温度、冷却水タンク１８における最大貯水量Ｗ１、回収水タンク１１３における最小貯水量Ｗ２は、本実施の形態で用いた温度や水量に限定されるものではなく、浄水ユニット１７の耐熱温度に対して、上述した（数２）で規定される条件を充足する限りにおいて、適宜変更して利用することができる。

又、上述した実施の形態において、水質検知ユニット１１１をオーバーフロー経路１１０に設けることにより、浄水処理の際における冷却水の水質を適切に検知でき、浄水処理の状況を的確に判断でき、冷却水の浄水処理に要する時間を適切に管理できるため、冷却水の水質の適切な管理と、浄水ユニットの耐久性を適切に維持することが可能となる。

又、冷却水の水質が基準値以下になった時点で、ポンプ１６を停止できるため、冷却水の浄水処理が不十分な状態で浄水処理操作を停止することにならず、また、過剰に冷却水や回収水を浄水処理することによって、浄水ユニットのイオン交換樹脂の性能が低下することを抑止できる。

なお、上述した実施の形態では、浄水ユニット１７に使用するイオン交換樹脂としてＭｕｒｏｍａｃ（Ｒ）ＸＳＰ−Ｍを用いたが、これに限定されるものではなく、各種イオン交換樹脂が利用できる。

さらに、水質検知ユニット１１１で検知する冷却水の水質の基準値も実施の形態で用いた、本発明の所定の値の一例である２μＳ／ｃｍに限定されるものではなく、適宜変更して利用しても構わない。

またさらには、回収水が不足した時に燃料電池発電システムの外部から供給する水道水の水温は実施の形態で用いた温度に限定されず、少なくともＴ３よりも低い温度であればよい。但し、回収水タンク１１３に貯えられる回収水の温度が、供給された水道水によって上昇するのを回避する為、回収水の温度以下であることがより好ましい。

又、温度の高い水のほうが、温度の低い水よりも上方に移動するため、高温の水が浄水ユニット１７に直接流入しないように、回収水供給経路１１７の入り口１１７ａは、回収水タンク１１３の底部近傍に配置される方が好ましい。又、出口１１７ｂは冷却水タンク１８の上方に配置されている方が好ましい。

又、本実施の形態では、水質が基準値以下になった時点で、ポンプ１６を停止していたが、冷却水タンク１８内の貯水量に相当する量の水が冷却水タンク１８内に供給されるまでポンプ１６を駆動させてもよい。例えば、冷却水タンク１８内に、レベルａまで冷却水が貯水されている場合には、１．０リットル分の水が冷却水タンク１８に供給されるまでポンプ１６を駆動させればよい。

次に、本発明に関連する発明の一例について説明する。

図２は、本発明に関連する発明の一例における燃料電池発電システムの構成図である。

図２に示すように、本発明に関連する発明の一例における燃料電池発電システムは、水素を含有した燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１１と、原燃料ガスを改質して水素を含有した燃料ガスを生成する燃料処理器１２と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１１に供給する空気ブロア１５とを備えている。

また、回収水タンク１１３には、水量を検出するためのレベルセンサー１１５と、水温を検出するための温度センサー１２２と、回収水タンク１１３に水道水を補給する水補充ユニット１１８が設けられている。

また、冷却水タンク１８にも、水量を検出するためのレベルセンサー１２０と、水温を検出するために温度センサー１２１が設けられている。

さらに、レベルセンサー１１５、１２０、及び温度センサー１２１、１２２に基づいて、水補充ユニット１１８及びポンプ１６を制御する制御ユニット１２３が設けられている。

次に、本発明に関連する発明の一例の燃料電池発電システムの発電時の動作について説明する。

燃料電池１１は、空気ブロア１５から供給される空気と燃料処理器１２で生成された水素を含有した燃料ガスにより発電を行う。燃料電池１１から排気される排空気及び燃料排ガスに含まれる水分は、それぞれ、空気側熱交換器１４と燃料側熱交換器１３を介して凝縮され、３５℃の回収水として回収水タンク１１３に貯えられる。

又、回収水タンク１１３に貯えられた回収水は、ポンプ１６で、浄水ユニット１７を介して浄水処理され、冷却水タンク１８に貯えられる。

一方、燃料電池１１には冷却水タンク１８からポンプ１９によって冷却水が循環され、燃料電池１１は７０℃に冷却される。

次に、本発明に関連する発明の一例の燃料電池発電システムの起動及び停止処理時に主に行われる浄水処理の動作について説明する。尚、図３は、本発明に関連する発明の一例の燃料電池発電システムの動作フロー図である。又、冷却水の浄水処理は、発電時などの通常運転時や所定時間毎に行われても良い。

ここで、回収水タンク１１３の貯水量をＷ１´、回収水タンク１１３における水の温度をＴ１´、冷却水タンク１８における貯水量をＷ２´、冷却水タンク１８における水の温度をＴ２´とし、浄水ユニット１７の耐熱温度をＴ３とする。

冷却水の浄化処理を行う前に、制御ユニット１２３は、ステップ１において、レベルセンサー１１５、１２０、及び温度センサー１２１、１２２に基づいて、下記の（数３）を充足しているか否かを判断する。尚、レベルセンサー１１５で検出される水量の一例を図２においてレベルｄとして示す。又、レベルセンサー１２０で検出される水量の一例を図２においてレベルｃとして示す。

（数３）を充足していない場合には、制御ユニット１２３は、水補充ユニット１１８を動作させ（ステップ２）、（数３）を充足するまで回収水タンク１１３に、２５℃の水道水を供給する。

そして、（数３）を充足したと判断した場合（ステップ３）には、制御ユニット１２３は、水補充ユニット１１８を停止（ステップ４）した後、ポンプ１６を稼動させる（ステップ５）。すると、回収水タンク１１３から冷却水タンク１８に回収水が送り込まれる。そして、レベルａの水位を超えた冷却水は、オーバーフロー経路１１０を通り回収水タンク１１３に流入する。このように冷却水タンク１８内の冷却水は、オーバーフロー経路１１０、回収水タンク１１３、および回収水供給経路１１７を通り、再び冷却水タンク１８に戻る経路を循環し、浄水ユニット１７で浄化される。

そして、制御ユニット１１２は、水質検知ユニット１１１で検知した冷却水タンク１８からオーバーフローする冷却水の水質が、基準値として規定した２μＳ／ｃｍ以下になるまでポンプ１６の稼動を続け、水質検知ユニット１１１で検知した値が、基準値である２μＳ／ｃｍ以下になったと判断（ステップ６）すると、ポンプ１６を停止する（ステップ７）。

尚、ステップ１において上記（数３）を充足していると判断した場合には、ステップ５に進み、制御ユニット１２３はポンプ１６を動作させる。

以上より、ポンプ１６を稼動させ浄水処理を行う場合において、特に燃料電池発電システムの停止時に高温となる冷却水（例えば、上記７０℃）が、回収水（３５℃）と混合し熱平衡に達した場合であっても浄水ユニット１７の耐熱温度であるＴ３未満となるため、イオン交換膜の長寿命化を図ることが可能となる。

又、燃料電池発電システムの発電中に、冷却水を補充するために回収水タンク１１３から水を供給する際にも、上記制御を行ってもよい。

又、本発明に関連する発明の一例において、制御ユニット１２３は、（数３）を満たすか否かを常に監視しているが、このような制御に限定されず、以下のように制御を行ってもよい。

水補充ユニット１１８に流量センサーと温度センサーを設け、水補充ユニット１１８により補充される水温をＴ０とし、水量をＷ０とする。はじめに、上記ステップ１において、上記（数３）を充足しているか否かを判定し、上記（数３）を充足していない場合には、下記（数４）を満たす水量Ｗ０を予め求める。そして、その水量を水補充ユニット１１８から供給した後、上述したステップ４へと進む。

尚、燃料電池１１を循環する冷却水の温度、燃料電池１１から排気される排空気及び燃料排ガスから回収する回収水の温度は、本実施の形態で用いた温度に限定されるものではない。

又、本発明のプログラムは、上述した本発明の燃料電池発電システムの運転方法の、前記水量検知ユニットによって検出される前記回収水タンクの貯水量が、前記Ｗ１より少なくならないように前記水補充ユニットを動作させるステップの、その動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。

又、本発明の記録媒体は、上述した本発明の燃料電池発電システムの運転方法のステップの全部又は一部の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムを記録した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記動作を実行する記録媒体である。

尚、本発明の上記「ステップの動作」とは、前記ステップの全部又は一部の動作を意味する。

又、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な、ＲＯＭ等の記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

又、本発明のプログラムの一利用形態は、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等の伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

又、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。

尚、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。

本発明の燃料電池発電システム及びその運転方法は、従来と比べてイオン交換樹脂の熱劣化の可能性を低減し、寿命を長くすることが可能な効果を有し、燃料電池発電システムを安定に運転する構成等として有用である。

本発明にかかる実施の形態における燃料電池発電システムの構成図本発明に関連する発明の一例の燃料電池発電システムの構成図本発明に関連する発明の一例の燃料電池発電システムの動作フロー図従来の燃料電池発電システムの構成図

符号の説明

１１、２１燃料電池
１２、２２燃料処理器
１３、２３燃料側熱交換器
１４、２４空気側熱交換器
１５、２５空気ブロア
１６、１９、２６、２１２ポンプ
１７、２７浄水ユニット
１８、２８冷却水タンク
２９、１１４開口部
１１０、２１０オーバーフロー経路
１１１水質検知ユニット
１１２、１２３制御ユニット
１１３、２１１回収水タンク
１１５、１２０レベルセンサー
１１６、２１３冷却水経路
１１７回収水供給経路
１１８水補充ユニット
１２１、１２２温度センサー

Claims

水素含有ガスと酸化剤ガスを利用して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための水を貯える冷却水タンクと、
前記燃料電池から排出された前記水素含有ガス及び／又は前記酸化剤ガスから回収した水分を貯える回収水タンクと、
前記冷却水タンクから前記回収水タンクへと水を導く第１の配管と、
前記回収水タンクから前記冷却水タンクへと水を導く第２の配管と、
前記回収水タンクから前記冷却水タンクへと送水するために、前記第２の配管に設けられた送水ユニットと、
前記送水ユニットにより送られる水を浄水処理するために、前記第２の配管に設けられた浄水ユニットと、を備え、
前記回収水タンクにおける最小貯水量をＷ１、運転時における前記回収水タンクの水の温度をＴ１、前記冷却水タンクにおける最大貯水量をＷ２、運転時における前記冷却水タンクの水の温度をＴ２とし、前記浄水ユニットの耐熱温度をＴ３とすると、（数１）の関係を充足するようＷ１、Ｗ２が設定されており、
前記Ｔ１は、前記回収水タンクにおける水の予測最高温度Ｔ１ _ｍａｘであり、
前記Ｔ２は、前記冷却水タンクにおける水の予測最高温度Ｔ２ _ｍａｘである、燃料電池発電システム。
前記回収水タンク内の水量を計測する水量検知ユニットと、
前記回収水タンクに、前記Ｔ３よりも低い温度の水を補充する水補充ユニットと、
前記水補充ユニットを制御する制御ユニットと、を備え、
前記制御ユニットは、
前記水量検知ユニットによって検出される前記回収水タンクの貯水量が、前記Ｗ１より少なくならないように前記水補充ユニットを動作させる、請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記冷却水タンクは、その側面に開口部を有し、
前記第１の配管は、前記開口部に接続され、
前記冷却水タンクは、前記回収水タンクよりも上方に設置され、
前記冷却水タンクの前記開口部よりも下側部分の体積が、前記Ｗ２に相当することによって、前記冷却水タンクの貯水量が前記Ｗ２を超えないように設定されている、請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記第１の配管に設けられた、水質を検知するための水質検知ユニットを備え、
前記制御ユニットは、
前記水質検知ユニットによる検出値が所定の値以下になるまで、前記送水ユニットを動作させる、請求項１記載の燃料電池発電システム。
停止処理時または起動時に、
前記冷却水タンク内の水容積に相当する量の水が前記冷却水タンクに供給されるまで前記送水ユニットを動作させることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電システム。
水素含有ガスと酸化剤ガスを利用して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための水を貯える冷却水タンクと、
前記燃料電池から排出された前記水素含有ガス及び／又は前記酸化剤ガスから回収した水分を貯える回収水タンクと、
前記冷却水タンクから前記回収水タンクへと水を導く第１の配管と、
前記回収水タンクから前記冷却水タンクへと水を導く第２の配管と、
前記回収水タンクから前記冷却水タンクへと送水するために、前記第２の配管に設けられた送水ユニットと、
前記送水ユニットにより送られる水を浄水処理するために、前記第２の配管に設けられた浄水ユニットと、
前記回収水タンク内の水量を計測する水量検知ユニットと、
前記回収水タンクに水を補充する水補充ユニットと、を備え、
前記回収水タンクにおける最小貯水量をＷ１、運転時における前記回収水タンク水の温度をＴ１、前記冷却水タンクにおける最大貯水量をＷ２、運転時における前記冷却水タンクの水の温度をＴ２とし、前記浄水ユニットの耐熱温度をＴ３とすると、（数１）の関係を充足するようＷ１、Ｗ２が設定されており、前記補充される水の温度はＴ３よりも低い温度であり、前記Ｔ１は、前記回収水タンクにおける水の予測最高温度Ｔ１ _ｍａｘであり、前記Ｔ２は、前記冷却水タンクにおける水の予測最高温度Ｔ２ _ｍａｘである、燃料電池発電システムを利用した、
燃料電池システムの運転方法であって、
前記水量検知ユニットによって検出される前記回収水タンクの貯水量が、前記Ｗ１より少なくならないように前記水補充ユニットを動作させるステップを有する、燃料電池発電システムの運転方法。
請求項６記載の燃料電池発電システムの運転方法の、前記水量検知ユニットによって検出される前記回収水タンクの貯水量が、前記Ｗ１より少なくならないように前記水補充ユニットを動作させるステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
請求項７に記載のプログラムを記録した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。