JP5292801B2

JP5292801B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5292801B2
Application number: JP2007329704A
Authority: JP
Inventors: 良和田中; 英夫小原; 清田口; 佳央田村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP2009152092A

Description

本発明は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムの水処理装置の概略構成は、図７に表されるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下に、図７を用いて、従来の燃料電池システムの水処理装置の純水製造フロー図を説明する。

５１は原水を貯留する原水タンク、５２は原水ポンプ、５３は原水ポンプを起動、停止させる起動停止手段としてのリレー回路、５４は原水中のイオン化した電解質の大部分を除去する逆浸透膜装置、５５は逆浸透膜装置で除去されなかった処理水中の電解質をさらに除去して純水を製造するイオン交換樹脂装置、５６は純水を貯留する純水タンク、５７は純水タンクに設けられ純水タンク内の水位を検出する水位検出手段としての差圧式液面計、５８は純水ポンプ、５９は純水の流量を調節する調節弁、６０はスチームを製造する気液分離器、６１は気液分離器に設けられた水位監視装置である。

純水タンク５６の純水の水位が低い時には、液面計５７からの水位信号によりリレー回路５３が作動して原水ポンプ５２が起動し、逆浸透膜装置５４、イオン交換樹脂装置５５で純水が製造され純水タンク５６に送られる。純水タンク５６内の純水は純水ポンプ５８により気液分離器６０に供給され、供給水量は気液分離器６０に設けられた水位監視装置６１からの水位信号で水位が一定となるように開閉される調節弁５９で調節される。また、気液分離器６０では、燃料電池発電設備の原料スチームが発生し、そのスチームは配管６２より改質器（図示省略）に供給され、そこで改質ガスが生成され、その改質ガスは、水素として燃料電池（図示省略）へ供給される。

また、前述のように純水タンク内の純水は純水ポンプ、気液分離器を経由して水蒸気として改質器に供給され、改質器内部の触媒反応により原料と反応して水素を生成するだけでなく、燃料電池（図示省略）に供給される燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する加湿器（図示省略）に供給される構成や、燃料電池の温度を調節する冷却水経路に供給される構成、それらが組み合わされた構成の燃料電池システムもある。
特開平１０−２３５３９６号公報

このように従来の燃料電池システムでは、各タンクに設置された水位センサによりタンク内の水位管理を実施しているが、イオン交換樹脂装置等のイオン除去機器により殺菌作用のある塩素イオンが除去されるため純水中に発生したバクテリアや、温度変動に伴い発生する水中の気泡により水ポンプの泡噛みや水中の酸素による錆の発生により水位センサや水ポンプなどが動作不良や故障にいたることがあった。これら機器の故障により燃料電池システム中の純水が不足し、純水タンク５６より気液分離器や加湿器、冷却水経路に供給される水が不足すると、改質器中の触媒劣化や、燃料電池が異常に乾燥したり高温化することで燃料電池の破壊や劣化に繋がるなど、燃料電池システムそのものの重大な故障や性能、耐久性の大幅な低下に至る。

システムの故障や耐久性に大きく影響するタンク内の水位管理について、従来の燃料電池システムでは、例えば、水位センサの故障への対応として水位センサを２重に設置するなどの方法があるが、装置が複雑になり部品数およびコストの増加の要因となっていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水位センサの追加等による部品数の増加またはコストの増加を招くことなく、水タンク内の水位異常の検出を可能にした燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記水を貯える水タンクと、前記水タンク内の水を該水タンク外部に排出する水排出器と、前記水タンクに水を供給する水供給器と、前記水タンクに設けられた水位センサとを備え、前記水位センサで検知される水位が所定の水位以下になると、前記水供給器より水を供給するよう構成された燃料電池システムであって、前記水排出器により排出される水の累積水排出量を算定する累積水排出量算定器、または前記水供給器より供給される水の累積供給量を算定する累積水供給量算定器と、制御器とを備え、前記制御器は、前記水供給器による水の供給を停止してからの前記累積水排出量が、第３の閾値未満で、前記水位センサで検知される水位が第３の水位以下である場合、異常信号を発信することを特徴とする。

また、第２の本発明の燃料電池システムは、前記水タンク内の水を利用する水利用機器を備え、前記水排出器より排出された水が前記水利用機器の供給されるよう構成されていることを特徴とする。

また、第３の本発明の燃料電池システムは、前記水利用機器が、前記燃料電池に供給される前記燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれか一方を水により加湿するための加湿器であるとともに、前記水タンクは、前記燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれから回収した水を貯える回収水タンク、及び前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクのいずれかである。

また、第４の本発明の燃料電池システムは、前記水利用機器が、原料及び水蒸気を用いて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置であるとともに、前記水タンクは、前記燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれから回収した水を貯える回収水タンク、及び前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクのいずれかである。

また、第５の本発明の燃料電池システムは、前記水利用機器が、前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクであるとともに、前記水タンクは、前記燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれから回収した水を貯える回収水タンクである。

また、第６の本発明の燃料電池システムは、前記制御器より前記異常信号が発信された場合に異常の旨を報知する異常報知器を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによれば、水位センサの追加等による部品数の増加またはコスト増加を招くことなく燃料電池システムにおける水タンク内の水位異常の検出が可能になり、水タンク内の水不足による燃料電池システムの劣化、及び故障を回避することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示すシステム構成図である。

本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、燃料ガスの供給系、酸化剤ガスの供給系、燃料電池システム内の各機器を制御する制御器２を備え、燃料ガスの供給系として燃料供給装置３を備え、酸化剤ガスの供給系として酸化剤供給装置４と、本発明の水利用機器の一例である酸化剤側加湿器５とを備え、冷却系として燃料電池１を冷却する冷却媒体が流れる冷却経路２９と、冷却経路２９上に設けられた冷却熱交換器７と、冷却熱交換器７において熱交換し、加熱された温水を貯える貯湯タンク８とを備え、水供給／回収系として本発明の水排出器としての水排出ポンプ９と、水排出ポンプ９により酸化剤側加湿器５に供給される水の流量を測定する第１流量計１０と、累積水排出量算出器１７と、本発明の水タンクの一例である水タンク１１と、水タンク１１内の水位を測定する第１水位センサ１２と、イオン交換器１３と、本発明の水供給器としての水供給ポンプ１４と、水供給ポンプ１４により水タンク１１に供給される水の流量を測定する第２流量計１５と、累積水供給量算出器１８と、本発明の回収水タンクの一例である凝縮水タンク１６と、凝縮水タンク１６内の水位を測定する第２水位センサ２５と、計時器２２と、燃料電池システムに異常があった場合に異常の旨を報知する異常報知器２７とを備えている。

次に、上記構成を有する本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。

燃料ガス供給系では、燃料供給装置３で水素などの燃料ガスを燃料電池１に供給する。

酸化剤ガス供給系では、空気などの酸化剤ガスがブロワなどの酸化剤供給装置４により供給され、酸化剤側加湿器５で加湿された後、燃料電池１に供給される。酸化剤側加湿器５としては、中空糸膜方式やインジェクション方式などが用いられる。酸化剤側加湿器５には、水排出ポンプ９により水タンク１１から加湿に使用される水が供給される。水排出ポンプ９からの排出流量は第１流量計１０により検出され、燃料電池１の発電量などに応じて制御器２により適切な流量となるようフィードバック制御される。制御器２内の累積水排出量算出器１７は、第１流量計１０により検出された水排出ポンプ９からの排出流量を積算することで水タンク１１内の累積水排出量を算出する。なお、図１には明示されていないが、上記水タンク１１内の水は燃料電池１を冷却する冷却経路２９を流れる水としても使用される。すなわち、水タンク１１は、本発明の冷却水タンクとしても使用されている。

燃料電池１内で、燃料ガスと反応して発電を行った後、発電により消費されず残った酸化剤ガスは、燃料電池１から排出された後、酸化剤側水凝縮器６内で冷却され、ガス中の水蒸気は凝縮水となって、凝縮水タンク１６に回収される。

制御器２は、第１水位センサ１２により検知される水タンク１１内の水位が所定の水位以下になると、水ポンプ１４を動作させ、凝縮水タンク１６より水タンク１１に水を供給するよう制御する。本実施の形態においては、第１水位センサで検知される水位が第１の水位以下になると、水供給ポンプ１４を動作を開始して凝縮水タンク１６内の凝縮水を送水し、送水された凝縮水はイオン交換器１３を通り金属イオンなどの不純物を取り除かれた後、水タンク１１に送られる。第１水位センサ１２としては差圧式や複数のフロート式など複数の水位が検出できるセンサが用いられる。第２流量計１５は水供給ポンプ１４の供給流量を検知し、制御器２内の累積水供給量算出器１８は、第２流量計１５により検出された水供給ポンプ１４の供給流量を積算することで水タンク１１への累積水供給量を算出する。

制御器２は、第１水位センサ１２により第２の水位が検出されるのに必要な所定量の水を供給したのち水供給ポンプ１４を停止する。なお、前記所定量は、第２の水位と第１の水位間の水タンクの容積以上の量として定義される。また、制御器２は、水排出ポンプ９または水供給ポンプ１４の動作中に第１水位センサ１２で検知される水位をモニタしながら水位に関する異常が検知された場合、異常信号を発信し、異常報知器２７により異常の旨を外部に報知させる。

さらに、凝縮水が不足する場合は、水補給経路１９より外部から水が補給される。

燃料電池１の冷却系では、ポンプ（図示せず）を用いて冷却水を循環させ、燃料電池１で発生した反応熱を熱交換器７で放熱する。

また、熱媒（水など）を、酸化剤側水凝縮器６、熱交換器７に流し（破線矢印参照）、水蒸気を回収する際に発生する凝縮熱や燃料電池１で発生する反応熱を回収し、貯湯タンク８内の高温の貯湯水を貯えて、給湯や暖房に使用する。

次に、図２に示すフローチャートを用いて本実施の形態の燃料電池システムにおける水タンク内の水位管理の動作について説明する。

まず、水タンク内の水位が正常時の動作について説明する。通常、燃料電池１での発電量に応じて供給する酸化剤ガス量を変化させるのに伴い酸化剤側加湿器５における加湿量つまり加湿器への水供給量も変化させる必要があるため、制御器２により燃料電池１の発電量もしくは酸化剤ガス供給量に応じて水排出ポンプ９の送水流量を制御する。このようにして、水タンク１１内の水が排出されると水タンク１１の水位が低下するため、第１水位センサ１２により検知される水位が水供給ポンプ１４により水の供給が必要と判断される第１の水位以下まで水位が低下したかどうかを判断する（ステップＳ１）。第１の水位以下にまで水位が低下したと判断された場合、水供給ポンプ１４の動作を開始する（ステップＳ２）。水供給ポンプ１４から水タンク１１へ水の供給が開始されると、累積水供給量算出器１８は、第２流量計１５により検出される流量値に基づき累積水供給量を算出する（ステップＳ３）。累積水供給量算出器１８により算出される累積水供給量が水タンク１１内の水位が第１の水位よりも高い第２の水位になると推定される第２の閾値以上に達すると、第１水位センサ１２により水位を検知し、検知された水位が第２の水位以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４において第１水位センサ１２により検出される水位が第２の水位以上と判定されれば水供給ポンプ１４の動作を停止して、累積水排出量算出器１７による累積水排出量の算出を初期値０から再開する（ステップＳ５）。次にステップＳ１に戻って動作を繰り返す。

次に、水タンク１１内の水位が異常の場合の動作について説明する。ステップＳ１において、水タンク１１内の水位が第１の水位以下でないとき、第１流量計１０により検出される流量値に基づき累積水排出量算出器１７により算出される累積水排出量が第１の水位以下になると推定される第１の閾値以上であるかどうか判断する（ステップＳ６）。ここで、第１の閾値は第２の水位と第１の水位の間の水タンク１１の容積以上の量として定義される。第１の閾値未満であるときは、ステップＳ１に戻る。第１の閾値以上であるときは、第１の水位に関する異常であると判断し、異常信号を発信し、異常報知器２７により異常の旨を外部に報知させる（ステップＳ７）。

第１の水位に関する異常は、水供給流量計１５の故障により実際は第１の閾値よりも多量の水が水タンク１１に供給されていること、制御器２による水排出ポンプ９の供給流量制御において、第１流量計１０の故障により実際の酸化剤側加湿器５への累積水供給量よりも多く累積水供給量が累積水供給量算出器１８により算定されていること、第１水位センサ１２がショートまたは断線異常を起こし、水タンク１１の正確な水位が検知できていないこと、水排出ポンプのエアがみにより酸化剤側加湿器５への実際の累積水供給量が少ないこと、水位センサがフロート式の水位センサの場合、フロートが上側へ固着するなどによる故障で正常な水位が検出できていないことなどが原因で発生する。

また、ステップＳ３において、累積水供給量算出器１８による累積水供給量が第２の閾値以上であるにも関わらず、ステップＳ４において水タンク１１内の水位が第２の水位以上でないと判定された場合、第２の水位に関する異常であると判断し、異常信号を発信し、異常報知器２７により異常の旨を外部に報知させる（ステップＳ８）。ステップＳ３において、第２の閾値は水タンク１１内の水位が第２の水位以上に達すると推定される累積水供給量として決定される。

第２の水位に関する異常は、第２流量計１５の故障により実際は第２の閾値以上の水が供給されていないこと、第１水位センサ１２がショートまたは断線異常を起こし、水タンク１１の正確な水位が検知できていないこと、水供給ポンプ１４のエアがみにより水タンク１１への実際の累積水供給量が少ないこと、フロート式の第１水位センサ１２においてフロートが下側に固着するなどの故障で正常な水位が検出できていないことなどが原因で発生する。

本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、簡単な構成で水位センサおよび流量計の故障等に例示されるタンク内の水位に影響を与える機器の異常を検知することができるため、加湿器に供給される水の不足により燃料電池の破壊的なダメージや性能・耐久性の低下を抑制することが可能となる。また、通常水タンクに設置される水位センサで検知された水位に基づき、異常を検知可能なため、水位センサの故障への対応として水位センサを２重に設けたりする等の部品数の増加を招くことがない。

なお、上述の本実施の形態の燃料電池システムでは、水排出ポンプ９の送水流量は、ポンプへの駆動電圧や指示電圧、回転数などを変化させることにより調節すると説明したが、ニードル弁などの流量調節弁（図示せず）を用いて供給流量を調節する動作についても構わない。

また、熱媒の流れは、酸化剤側水凝縮器６及び燃料電池１で発生した反応熱を放熱する熱交換器７の順に流れるような構成を示したが、異なる順に熱媒が流れるような構成でも構わない。

また、酸化剤ガス側に酸化剤側加湿器５および酸化剤側水凝縮器６を用いた構成を示したが、加湿器および水凝縮器を燃料ガス側に用いる構成や酸化剤ガス側および燃料ガス側の両側に加湿器および水凝縮器を用いる構成であっても構わない。特に、酸化剤ガス側および燃料ガス側の両側に水タンク１１より水を供給する場合、累積水排出量算出器１７により、各加湿器に供給される累積水供給量の合計を算出することで水タンク１１の水位に関する異常を検知することが可能になる。

また、ステップＳ３において累積水供給量算出器１８による累積水供給量を判断し、ステップＳ４において第１水位センサ１２により水位を確認する動作を示したが、ステップＳ３で第１水位センサ１２により水位が第２の水位未満であるか否かを判断し、第２の水位未満と判定された場合、ステップＳ４のおいて累積水供給量算出器１８による算出された水の累積供給量が第２の閾値以上である場合は異常と判定するよう構成しても同様の効果が得られる。

［変形例］
図３は、上述の第１の実施の形態の燃料電池システムの変形例である燃料電池システムのシステム構成図である。

図３に示すように、本変形例における燃料電池システムは、上述の第１の実施の形態における燃料電池システムに対して、燃料ガス供給系として、原料及び水蒸気を用いて水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する、本発明の水利用機器の一例である水素生成装置２０と、燃料電池１から排出されるオフ燃料ガス中に含まれる水分を凝縮するための燃料側水凝縮器２１とを新たに備えることを特徴とする。

水素生成装置２０で生成された水素含有ガスは燃料電池１に供給され、燃料側水凝縮器２１で凝縮された水は凝縮水タンク１６に流入するよう構成されている。また、水タンク１１に貯えられた水は水排出ポンプ９の動作により水素生成装置２０に供給されるように構成されている。なお、水排出ポンプ９の動作により水タンク１１より水素生成装置２０に供給される水供給量は、通常、燃料電池１の発電量もしくは水素生成装置２０に供給される原料供給量に応じて制御器２により制御される。これは、例えば、水素生成装置２０に供給される水供給量が燃料電池１の発電量に応じて制御されるのは、燃料電池１の発電量の増減に応じて水素生成装置２０における水素含有ガスの生成量も増減させるため、この水素含有ガスの生成量が増減するよう水素生成装置２０への水供給量も増減させる必要があるからである。また、水素生成装置２０における水素含有ガスの生成量を増減させるため水供給量だけでなく水素生成装置２０への原料供給量も増減させるため、水素生成装置２０への原料供給量に応じて水供給量を変化させるよう制御しても構わない。

また、本変形例の燃料電池システムにおいては、累積水排出量算出器１７が、制御器２が出力する水排出ポンプ９の操作量の指令値及び計時器２２で計測される、次の指令値が出力されるまでの時間に基づき累積水排出量を算出するよう構成されている。具体的には、操作量の指令値から推定される水排出ポンプ９から水素生成装置２０への水流量と次の指令値までの時間の積を制御器２から水排出ポンプ９に指令値が出力される度に算出し、これらの値の累積和を算出することで累積水排出量が求められる。また、累積水供給流量算出器１８は、制御器２が出力する水供給ポンプ１４の操作量に関する指令値及び計時器２２で計測される、次の指令値が出力されるまでの時間に基づき累積水供給量を算出するよう構成されている。具体的には、操作量の指令値から推定される水供給ポンプ１４から水タンク１１への水流量と次の指令値までの時間の積を制御器２から水供給ポンプ１４に指令値が出力される度に算出し、これらの値の累積和を算出することで累積水供給量が求められる。なお、制御器２から上記各ポンプへの指令値の出力が定期的である場合、計時器２２の計測時間を用いずに指令値が出力される一定の時間間隔の値を用いることで、累積水排出量算出器１７または累積水供給流量算出器１８が累積水排出量または累積水供給量を算出するよう構成されていても構わない。

また、水供給ポンプ１４の動作により水タンク１１に水を供給する際の供給量が一定の場合、累積水供給量算出器１８は、実際の累積水供給量に代わる値として、供給ポンプ１４の累積動作時間を算出するとともに、第２の閾値は、水タンク１１内の水位が第２の水位以上に達すると推定される累積動作時間として設定しても構わない。すなわち、本発明の累積水供給量には、上述の第１の実施の形態の燃料電池システムのように直接的な物理量である累積水供給量そのものに限られず、この水供給ポンプ１４の累積動作時間のように累積水供給量に間接的に関係する物理量も含まれる。

また、累積水排出量に関しても同様に、本発明の累積水排出量には、直接的な累積水排出量そのものに限られず、水素生成装置２０への累積原料供給量や、燃料電池１の累積発電量のように累積水供給量に間接的に関係する物理量も含まれる。

本変形例の燃料電池システムは、上述の特徴以外においては構成及び動作共に上述の第１の実施の形態の燃料電池システムと同様に構成されている。従って、上記第１の実施の形態の燃料電池システムのように、水流量計（具体的には、水排出流量計１０、水供給流量計１５）を用いてなくても、第１の実施の形態の燃料電池システムと同様の効果が得られる。

なお、第１の実施の形態の燃料電池システム及び変形例においては水タンク１１より加湿器（酸化剤側加湿器または燃料側加湿器）または水素生成装置２０に水を供給するよう構成されているが、凝縮水タンク１６より水を供給するよう構成しても図２に示すフローを利用して、同様に水位異常を検知することが可能になる。例えば、凝縮水タンク１６より上記水利用機器に水を供給するよう構成されている場合、累積水排出量算出器１７は、第２流量計１５及び計時器２２の各測定値に基づき累積水排出量を算出し、累積水供給算出器１８は、水補給経路１９が市水ラインである場合、水補給経路１９に設けられた弁の開放時間と水補給経路１９より供給される水の流量値より供給される水の累積供給量を算出し、これらの算出値と第２水位センサ２５で測定される水位とを図２に示すフローに基づき比較することで凝縮水タンク１６の水位に関する異常を検知することが可能になる。なお、水補給経路１９が市水ライン場合、水補給経路１９より供給される水の流量値は予め実験等により取得された固定値が用いられる。

また、上記第１の実施の形態の燃料電池システムにおいて、水タンク１１は、凝縮水タンク１６にとって水利用機器と捉えることが可能であり、上述と同様の方法を用いて凝縮水タンク１６の水位に関する異常を検知することが可能になる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態の燃料電池システムは、構成的には上述の第１の実施の形態の変形例の燃料電池システムと大部分が同一であるが、制御器２の水タンク内の水位異常を判断する手法が異なる。従って、上記変形例と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。なお、本実施の形態において累積水排出量算出器１７は、第１の実施形態の燃料電池システムの変形例と同様に、制御器２が出力する水排出ポンプ９の操作量の指令値及び計時器２２で計測される、次の指令値が出力されるまでの時間に基づき累積水排出量を算出するよう構成されている。また、水供給ポンプ１４の動作により水タンク１１に水を供給する際の供給量が一定である場合は、累積水供給量算出器１８は、供給ポンプ１４の累積動作時間を算出するとともに、第２の閾値は、水タンク１１内の水位が第２の水位以上に達すると推定される累積動作時間として設定されている。

次に、このような本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。

図４は、本実施の形態における燃料電池システムの水タンクの水位異常を検知するための動作例を示すフローチャートである。

まず、正常時の動作について説明する。正常時は、燃料電池１での発電量に応じて水素生成装置２０より供給される水素含有ガス量が変化する。そのため、水素生成装置２０に供給される原料及び水蒸気量つまり水タンク１１からの水排出量も変化させる必要があり、制御器２は、燃料電池１の発電量もしくは原料流量などに応じて水排出ポンプ９を制御し、水素生成装置２０への送水流量を制御する。このようにして、水タンク１１内の水が排出されると水タンク１１の水位が低下するため、第１水位センサ１２の検知位置（第３の水位）まで水位が低下したかどうかを判断する（ステップＳ１１）。第１水位センサ１２により検知された水位が第３の水位以下にまで低下した場合、累積水排出量算出器１７で算出された累積水排出量が、水タンク１１の水位が第３の水位以下になると推定される第３の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。累積水排出量算出器１７で算出された累積水排出量が、第３の閾値以上である場合、水タンク１１の水位に関連する機器の異常はない（正常）と判断し、水供給ポンプ１４を起動する（ステップＳ１３）。制御器２は、累積水供給量算出器１８により算出された水供給ポンプ１４の累積動作時間が上記第２の閾値以上に達したかどうかを判断する（ステップＳ１５）。そして、累積動作時間が上記第２の閾値以上である場合、水供給ポンプ１４の動作を停止し、累積水排出量算出器１７による累積水排出量の算出を開始する（ステップＳ１６）。

次に、上述のステップＳ１１からステップＳ１６のフローの途中で水タンク１１の水位に関する異常が検出される場合の動作について説明する。ステップＳ１１において、第１水位センサにより検知された水タンク１１内の水位が第３の水位以下まで低下した場合、累積水排出量算出器１７で算出した累積水排出量が第１の水位以下になると推定される第３の閾値以上であるかどうか判断する（ステップＳ１２）。累積水排出量算出器１７で算出された累積水排出量が、上記第３の閾値以上でない場合、制御器２は第３の水位に関する異常であると判断し、異常信号を発信し、異常報知器２７により異常の旨を外部に報知する（ステップＳ１４）。

上記第１の水位に関する異常は、ステップＳ１５において水供給ポンプ１４の動作時間が第２の閾値以上であったにも拘わらず、実際には、水供給ポンプ１４より水タンク１１に供給された水量が少なく水タンク１１の水位が第２の水位以上になっていなかったこと、水排出ポンプの故障により、制御器２から水排出ポンプ９に対して出力される操作量の指令値から推定される水の排出量よりも実際に排出される水の量が多いことなどが原因で発生する。

なお、上記累積水供給量算出器１８は、累積水供給量に間接的に関係する物理量として水供給ポンプ１４の累積動作時間を算出したが、実施の形態１のように第２流量計１５を設け、本流量計で計測された流量値と、計時器２２で計測された時間値に基づき直接的な物理量である累積水供給量そのものを算出するよう構成されていても構わない。

すなわち、実施の形態１と同様に、本発明の累積水供給量は、直接的な物理量である累積水供給量そのものに限られず、この水供給ポンプ１４の累積動作時間のように累積水供給量に間接的に関係する物理量も含まれる。

上述の本実施の形態の燃料電池システムの構成及びその動作により、上記第１の実施形態における燃料電池システムでは考慮されなかった要因による水タンクの水位に関する異常を検知することが可能になり、第１の実施形態の燃料電池システムの燃料電池システム水タンク内の水不足による燃料電池システムの劣化、及び故障を回避することが可能になる。

（実施の形態３）
図５は本発明の第３の実施の形態の燃料電池システムのシステム構成図である。

図５に示されるように本実施の形態の燃料電池システムは、構成的には上述の第２の実施の形態の燃料電池システムと大部分が同一であるが、水タンク１１内の水を外部に排出するための第１水排出弁２３、凝縮水タンク１６内の水を外部に排出するための第２水排出弁２４、凝縮水タンク１６内の水位を測定する第２の水位センサ２５、及び第１水排出弁２３または第２水排出弁２４を開放された後に水タンク１１または凝縮水タンク１６から排出される累積水排出量を算出するための累積水排出量算出器２６を備えることを特徴とする。本実施の形態においては、累積水排出量算出器２６は、累積水排出量に代えて、計時器２２からの信号に基づき各排出弁開放後の累積水排出時間を算出するよう構成されるとともに、後述する第４の閾値も、時間値として設定されている。

上記新たに設けられた構成の動作について説明すると、第１水排出弁２３及び第２水排出弁２４はともに燃料電池１の発電中においては閉じた状態であり、発電終了後の停止処理時または停止処理完了後の停止状態中においてそれぞれが適宜開放され、水タンク１１または凝縮水タンク１６内の水が外部に排出される。累積水排出量算出器２６は、累積水排出量に間接的に関係する物理量として、計時器２２で測定される時間に基づき制御器２より各水排出弁に開放指令が出力されてからの経過時間を算出する。

図６は、本実施の形態における燃料電池システムの水タンクの水位異常を検知するための動作例を示すフローチャートである。本例においては水タンク１１の水位異常検知を対象に説明する。

まず、燃料電池システムの停止処理が完了し、停止状態にあるときに、使用者による操作画面（図示せず）上での操作により水タンクの水抜き処理の要求信号が入力されると、制御器２の制御により水タンク１１の水抜き処理が開始され、水排出弁２３が開放され、各水タンク内の水が外部に排出される。

次に、累積水排出量算出器２６が、水排出弁２３が開放されてから水タンク２０から外部に排出される水の累積排出量と間接的に関係する累積水排出時間を算出し、この値が、水タンク２０の水位が第４の水位以下になると推定される第４の閾値以上になったかどうかを制御器２が判定する（ステップＳ２１）。そして、上記ステップＳ２１において、算出された水の累積排出時間が、第４の閾値以上であると判定された場合、第１水位センサ１２で検知された水位が第４の水位以下であるかどうかを判定し（ステップＳ２２）、第１水位センサ２１で検知された水位が第４の水位以下である場合は、水タンク１１について水位に関する異常はない（正常）と判断する。

一方、上記ステップＳ２２で第１水位センサ１２で検知された水位が第４の水位以下でない場合、制御器２は、第４の水位に関する異常であると判断し、異常信号を発信し、異常報知器２７により異常の旨を外部に報知する。

上記第４の水位に関する異常は、第１水位センサ１２が故障していること、第１水位センサ１２がフロート式の場合、フロートが上側に固着していること、第１排水弁２３が開放できないこと等が原因で発生する。

なお、上記水抜き処理の際に、図６のフローのスタート前において、水タンク１１の水位を一定にするため、水供給ポンプ１４を動作させて第１水位センサ１２で検知される水位を第２の水位以上にしてから第１水排出弁２３を開放するよう制御してもよいし、水タンク１１に設けられたオーバーフロー管より水が排出されるに足る所定時間、水供給ポンプ１４を動作させた後、第１排出弁２３を開放するよう制御してもよい。

また、上述の本実施の形態の形態の燃料電池システムにおいては、水タンク１１の水抜き処理時における水位異常検知について説明したが、凝縮水タンク１６についても水抜き処理において同様に、第２排出弁２４を開放後に、累積水排出量算出器２６で算出される累積水排出時間及び第２水位センサ２５で検知される水位に基づき、図６で示されたフローに基づき凝縮水タンク２６の水位に関する異常を検知することが可能である。また、その際に、第２排出弁２４を開放する前に、水タンク１１の場合と同様に、第２水位センサ２５で検知される水位を所定の水位以上になるよう補給水経路１９より水を補給するか、図示されないオーバーフロー管より水が排出されるに足る所定時間、水の補給動作を行っても構わない。

また、上記累積水排出量算出器２６は、累積水排出時間を算出したが、各水排出弁が設けられた水排出路に流量計（図示せず）を設け、本流量計で計測された流量値と、計時器２２で計測された時間値に基づき直接的な物理量である累積水排出量そのものを算出するよう構成されていても構わない。すなわち、実施の形態１の同様に、本発明の累積水排出量は、直接的な物理量である累積水排出時間そのものに限られず、累積水排出時間のように累積水供給量に間接的に関係する物理量も含まれる。

また、上記水抜き処理は、使用者（外部）からの指示により実行されるよう構成されているが、制御器２が所定の条件を満たしたことを内部的な処理により判断して、実行されるよう構成されていても構わない。

上述の本実施の形態の燃料電池システムの構成及びその動作により、燃料電池システムに通常組み込まれているシステム内部の水抜き処理時に、水タンク内の水位に関連する機器の異常を検知することが可能になる。

なお、以上の実施の形態１〜３及び変形例の燃料電池システムにおいては、加湿器および水素生成装置をそれぞれ単独で備えている形態について説明したが、加湿器及び水素生成装置を同時に備えるような形態であってもあっても構わない。このような場合においては、累積水排出量算出器１７は、加湿器及び水素生成装置に送水される累積水送水量の合計を算出することで水タンク１１の水位に関する異常を検知することが可能になる。なお、上記加湿器については実施の形態１で述べたように酸化剤ガス側及び燃料ガス側のいずれか一方の加湿器でもよいし、両方であっても構わない。

なお、以上の実施の形態及び変形例に示された燃料電池システムはあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

本発明の燃料電池システムによれば、水位センサの追加等による部品数の増加またはコスト増加を招くことなく燃料電池システムにおける水タンク内の水位異常の検出が可能になり、水タンク内の水不足による燃料電池システムの劣化、及び故障を回避することが可能になり、例えば家庭用の燃料電池システム等として有用である。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムのシステム構成図本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの動作例を示したフローチャート本発明の第１の実施の形態の変形例における燃料電池システムのシステム構成図本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの動作例を示したフローチャート本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムのシステム構成図本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの動作例を示したフローチャート従来の燃料電池システムのシステム構成図

符号の説明

１燃料電池
２制御器
３燃料供給装置
４酸化剤供給装置
５酸化剤側加湿器
６酸化剤側水凝縮器
７熱交換器
８貯湯タンク
９水排出ポンプ
１０第１流量計
１１水タンク
１２第１水位センサ
１３イオン交換器
１４水供給ポンプ
１５第２流量計
１６凝縮水タンク
１７累積水排出量算出器
１８累積水供給量算出器
１９水補給経路
２０水素生成装置
２１燃料側水凝縮器
２２計時器
２３第１水排出弁
２４第２水排出弁
２５第２水位センサ
２６累積水排出量算出器
２７異常報知器
２８オーバーフロー管
２９冷却経路
５１原水タンク
５２原水ポンプ
５３リレー回路
５４逆浸透膜装置
５５イオン交換樹脂装置
５６水タンク
５７液面計
５８水ポンプ
５９調節弁
６０気液分離器
６１水位監視装置
６２配管

Claims

燃料ガスおよび酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
水を貯える水タンクと、
前記水タンク内の水を該水タンク外部に排出する水排出器と、
前記水タンクに水を供給する水供給器と、
前記水タンクに設けられた水位センサとを備え、
前記水位センサで検知される水位が所定の水位以下になると、前記水供給器より水を供給するよう構成された燃料電池システムであって、
前記水排出器により排出される水の累積水排出量を算定する累積水排出量算定器、または前記水供給器より供給される水の累積供給量を算定する累積水供給量算定器と、
制御器とを備え、
前記制御器は、
前記水供給器による水の供給を停止してからの前記累積水排出量が、第３の閾値未満で、前記水位センサで検知される水位が第３の水位以下である場合、異常信号を発信することを特徴とする燃料電池システム。
前記水タンク内の水を利用する水利用機器を備え、前記水排出器より排出された水が前記水利用機器の供給されるよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記水利用機器は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれか一方を水により加湿するための加湿器であるとともに、前記水タンクは、前記燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれから回収した水を貯える回収水タンク、及び前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクのいずれかである請求項２記載の燃料電池システム。
前記水利用機器は、原料及び水蒸気を用いて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置であるとともに、前記水タンクは、前記燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれから回収した水を貯える回収水タンク、及び前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクのいずれかである請求項２記載の燃料電池システム。
前記水利用機器は、前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクであるとともに、前記水タンクは、前記燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくともいずれから回収した水を貯える回収水タンクである請求項２記載の燃料電池システム。
前記制御器より前記異常信号が発信された場合に異常の旨を報知する異常報知器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。