JP5381237B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一例としては、特許文献１に示されている燃料電池システムがある。この燃料電池システムは、燃料電池を搭載した移動体に関し、詳しくは、燃料電池を搭載した移動体によって、冠水路上等を移動するための技術に関するものである。この燃料電池システムは、特許文献１の図２に示されているように、水位センサ７２によって、冠水路上に存在する水の水位を検出し、検出された水位が所定の閾値以上になった場合には、例えば、燃料電池スタック１０による発電を停止するようになっている。これにより、冠水路上等を移動するときに、移動体に搭載された燃料電池の故障を抑制することができるようになっている。

特開２００８−１２５２１４号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、水位センサにより冠水を検知することができるものの、冠水を検知するための専用センサである水位センサを設けているために、コスト上昇となっていた。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、コスト上昇を抑制しつつ、冠水を的確に検知することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料と酸化剤ガスとにより発電して外部電力負荷に出力する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池から出力される電力を入力し所定の電力に変換して外部電力負荷に出力する電力変換装置と、燃料電池システムで使用する液体を貯蔵する容器であり、該液体の導電率を検知する導電率計を容器内に備えたタンクと、燃料電池を少なくとも含んで構成された燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスが供給され、該燃焼排ガスを凝縮する凝縮器と、凝縮器から凝縮水が供給され、該凝縮水を純水化する純水器と、導電率計の検知結果が送信される制御装置と、を備え、タンクが、燃料電池システム内であって燃料電池から外部電力負荷までの電流系統のうち浸水することで漏電する可能性のある漏電可能部位より下方に設置されており、純水器で処理された後の水を液体として貯蔵するものであり、制御装置は、タンク内の液体の導電率値が、純水器で処理された後の水の導電率より大きい値に設定されている所定値以上となった場合、タンクが浸水したと判断して燃料電池システムを停止することである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、燃料と酸化剤ガスとにより発電して外部電力負荷に出力する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池から出力される電力を入力し所定の電力に変換して外部電力負荷に出力する電力変換装置と、燃料電池システムで使用する液体を貯蔵する容器であり、該液体の導電率を検知する導電率計を容器内に備えたタンクと、導電率計の検知結果が送信される制御装置と、を備え、タンクが、燃料電池システム内であって燃料電池から外部電力負荷までの電流系統のうち浸水することで漏電する可能性のある漏電可能部位より下方に設置されており、制御装置は、タンク内の液体の導電率値の変化速度が所定速度以上となった場合、タンクが浸水したと判断して燃料電池システムを停止することである。
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、燃料電池を少なくとも含んで構成された燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスが供給され、該燃焼排ガスを凝縮する凝縮器と、凝縮器から凝縮水が供給され、該凝縮水を純水化する純水器と、をさらに備え、タンクは、純水器で処理された後の水を液体として貯蔵するものであることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムで使用する液体を貯蔵する容器であり、該液体の導電率を検知する導電率計を容器内に備えたタンクが、燃料電池システム内であって燃料電池から外部電力負荷までの電流系統のうち浸水することで漏電する可能性のある漏電可能部位より下方に設置されている。これにより、燃料電池システムが冠水した場合、外部の水（例えば洪水時の水：一般的に正常状態の燃料電池システムの回収水より導電率が高い）がタンク内に浸入すると、その外部の水は導電率が高いので、導電率計の測定値がそれまでの値（外部の水が進水する前のタンク内の液体の値）より高くなる。したがって、このことを利用することで、外部の水がタンク内に浸入することすなわち燃料電池システムの冠水を確実かつ的確に検出することが可能であり、この検出時から時間をおかないで燃料電池システムを早期に停止（電力変換装置の停止も含む）することが可能となる。そうすると、さらに冠水が進んで、タンクより上方に配設された漏電可能部位が浸水する前に、燃料電池システムを停止することができ、ひいては漏電可能部位が浸水しても該漏電可能部位からの漏電を抑制することができる。また、専用の水位センサを設けなくても、従来から燃料電池システムのタンク（純水タンク）内に設置されていた導電率計を使用することで冠水を検知できるので、コスト上昇を抑制しつつ、冠水を的確に検知することができる。
さらに、燃料電池を少なくとも含んで構成された燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスが供給され、該燃焼排ガスを凝縮する凝縮器と、凝縮器から凝縮水が供給され、該凝縮水を純水化する純水器と、をさらに備え、タンクは、純水器で処理された後の水を液体として貯蔵する。これにより、タンクに貯蔵されている液体（純水化後の凝縮水）の導電率は比較的小さい値であるため、純水タンクの冠水を感度良く検出することができる。
さらに、導電率計の検知結果が送信される制御装置をさらに備え、制御装置は、タンク内の液体の導電率値が所定値以上となった場合、タンクが浸水したと判断して燃料電池システムを停止する。これにより、燃料電池システムの冠水を事前に検出することができ、この検出時から時間をおかないで燃料電池システムを確実かつ早期に停止（電力変換装置の停止も含む）することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、燃料電池システムで使用する液体を貯蔵する容器であり、該液体の導電率を検知する導電率計を容器内に備えたタンクが、燃料電池システム内であって燃料電池から外部電力負荷までの電流系統のうち浸水することで漏電する可能性のある漏電可能部位より下方に設置されている。これにより、燃料電池システムが冠水した場合、外部の水（例えば洪水時の水：一般的に正常状態の燃料電池システムの回収水より導電率が高い）がタンク内に浸入すると、その外部の水は導電率が高いので、導電率計の測定値がそれまでの値（外部の水が進水する前のタンク内の液体の値）より高くなる。したがって、このことを利用することで、外部の水がタンク内に浸入することすなわち燃料電池システムの冠水を確実かつ的確に検出することが可能であり、この検出時から時間をおかないで燃料電池システムを早期に停止（電力変換装置の停止も含む）することが可能となる。そうすると、さらに冠水が進んで、タンクより上方に配設された漏電可能部位が浸水する前に、燃料電池システムを停止することができ、ひいては漏電可能部位が浸水しても該漏電可能部位からの漏電を抑制することができる。また、専用の水位センサを設けなくても、従来から燃料電池システムのタンク（純水タンク）内に設置されていた導電率計を使用することで冠水を検知できるので、コスト上昇を抑制しつつ、冠水を的確に検知することができる。
さらに、導電率計の検知結果が送信される制御装置をさらに備え、制御装置は、タンク内の液体の導電率値の変化速度が所定速度以上となった場合、タンクが浸水したと判断して燃料電池システムを停止する。これにより、例えば純水器などの異常と区別して燃料電池システムの冠水を事前に検出することができ、この検出時から時間をおかないで燃料電池システムを確実かつ早期に停止（電力変換装置の停止も含む）することができる。
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２において、燃料電池を少なくとも含んで構成された燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスが供給され、該燃焼排ガスを凝縮する凝縮器と、凝縮器から凝縮水が供給され、該凝縮水を純水化する純水器と、をさらに備え、タンクは、純水器で処理された後の水を液体として貯蔵する。これにより、タンクに貯蔵されている液体（純水化後の凝縮水）の導電率は比較的小さい値であるため、純水タンクの冠水を感度良く検出することができる。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 本発明による燃料電池システムの一実施の形態の電気的な構成を示す構成ブロック図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図３に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。 図３に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の電気的な構成を示す構成ブロック図である。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０、インバータ装置５０および燃料電池システム制御装置（以下、制御装置という。）６０を備えている。

筐体１１は、筐体１１内を区画して第１室Ｒ１および第２室Ｒ２を形成する仕切部材１２を備えている。仕切部材１２は、筐体１１を上下に区画する（仕切る）板状部材である。筐体１１内には、仕切部材１２より上方および下方に第１室Ｒ１および第２室Ｒ２が形成される。なお、本実施の形態では、仕切部材１２を一枚の板状部材で構成したが、仕切部材１２を箱状部材で構成してもよく、また、第１室Ｒ１および第２室Ｒ２をそれぞれ区画する箱状に形成された２つの別部材
で構成してもよい。

燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、燃料電池２４を少なくとも含んで構成されるものである。本実施の形態では、燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４を備えている。

ケーシング２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング２１は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造により支持されている。なお、ケーシング２１の全ての面が第１室Ｒ１の内壁面に接していなければよく、ケーシング２１の面（６面）のうちいずれかが第１室Ｒ１の内壁面との間に空間があればよい。ケーシング２１内には、蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４が配設されている。このとき、蒸発部２２、改質部２３が燃料電池２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部２２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部２２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部２３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

この蒸発部２２には、一端（下端）が純水タンク１３内に配設された給水管４１の他端が接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。

また、蒸発部２２には、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。改質用原料供給管４２には、上流から順番に一対の原料バルブ（図示省略）、脱硫器４２ａ、および原料ポンプ４２ｂが設けられている。原料バルブは改質用原料供給管４２を開閉する電磁開閉弁である。脱硫器４２ａは改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。原料ポンプ４２ｂは、燃料供給源からの燃料供給量を調整するものであり、その吐出量は調整制御（例えば燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

改質部２３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部２２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部２３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池２４の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池２４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル２４ａが積層されて構成されている。本実施の形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池２４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は７００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部２３は省略することができる。

セル２４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路２４ｂが形成されている。セル２４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３からの改質ガスが改質ガス供給管４３を介して供給されるとともに、カソードエアがカソードエア供給管４４を介して供給されるようになっている。燃料流路２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド２５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。空気流路２４ｃは、その下端（一端）がエア用マニホールドを介してカソードエア供給管４４に接続されており、カソードエア供給管４４から導出されるカソードガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。

なお、カソードエア供給管４４の一端はエア用マニホールド（図示しない）に接続され、他端はカソードエアブロワ４４ａ（カソードエア送出（送風）手段）に接続されている。カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池２４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は調整制御（例えば燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。

（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻

（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガスは、燃料電池２４と蒸発部２２（改質部２３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気）によって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部２２および改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは導出口２１ａから燃料電池モジュール２０の外に排気される。

排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン３２と、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる第１熱交換器３３と、が備えられている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ａ、第１熱交換器３３、および温度センサ３２ｂが配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。温度センサ３２ｂは、貯湯水の貯湯槽３１の入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置（図示省略）に送信するようになっている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、温度センサ３２ｂの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

第１熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽３１からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この第１熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施の形態では、第１熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に設けられており、少なくとも第１熱交換器３３の下部は仕切部材１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

第１熱交換器（凝縮器）３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａには、燃焼排ガスが導入される導入口３３ｂ、燃焼排ガスが導出される導出口３３ｃ、および凝縮された凝縮水が導出される導出口３３ｄが設けられている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続されている熱交換部（凝縮部）３３ｅが配設されている。導入口３３ｂは、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口２１ａに連通するようになっている。燃焼排ガスの導出口３３ｃは、排気管４５を介して第１排気口１１ａに接続されている。凝縮水の導出口３３ｄは、ケーシング３３ａの底部に形成されている。燃焼排ガスの導出口３３ｃは、凝縮水が燃焼排ガスの導出口３３ｃから導出するのを防止するため、凝縮水の導出口３３ｄより上方に形成されている。

このように構成された第１熱交換器３３においては、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、導入口３３ｂからケーシング３３ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部３３ｅを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは導出口３３ｃおよび排気管４５を通って第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水の導出口３３ｄおよび凝縮水供給管４６を通って純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部３３ｅに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

また、燃料電池システムは、純水タンク１３および純水器１４を備えている。純水タンク１３および純水器１４は第２室Ｒ２内に配設されている。
純水タンク１３は、純水器１４から導出された純水（すなわち、純水器１４で処理された後の水）を貯めておくもの（液体を貯蔵する容器）である。純水タンク１３には、容器内の液体（本実施の形態では純水）の導電率を検知する導電率計１３ａが備えられている。導電率計１３ａの検知結果は、制御装置６０に送信されるようになっている。また、純水タンク１３には、純水タンク１３内の純水量を検出する図示しない水量センサ（水位センサ）が備えられている。水量センサは例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。水量センサは制御装置６０に検出信号を送信するようになっている。

また、純水タンク１３には、オーバーフローライン１３ｂが設けられている。オーバーフローライン１３ｂの上端は純水タンク１３の上部に接続され、下端は下方に延設されており、純水タンク１３からオーバーフローした純水がオーバーフローライン１３ｂを通って外部に排水されるようになっている。また、純水タンク１３の上部はシールをしないで密閉性がなくてもよい。燃料電池システムが冠水した場合、純水タンク１３には、オーバーフローライン１３ｂや、上部のシールしていない部分から外部の水が浸入する。

純水器１４は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、第１熱交換器３３からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１４は、配管４７を介して純水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は配管４７を通って純水タンク１３に導出される。

また、第１室Ｒ１は、第１室Ｒ１内に外部からの空気を導入する空気導入口１２ａと、第１室Ｒ１内の空気を外部に導出する空気導出口（第２排気口）１１ｂと、空気導入口１２ａから空気導出口１１ｂまでの空気が流通する流通路上に設けられ該空気（換気用空気）を送出するための換気用空気ブロワ（送風手段）１５と、を備えている。

空気導入口１２ａは、仕切部材１２に形成されている。なお、空気導入口１２ａは、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成するようにしてもよい。第２排気口１１ｂは、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成されている。換気用空気ブロワ１５は、空気導入口１２ａに設けられている。換気用空気ブロワ１５は、第２室Ｒ２内の空気を吸い込んで、空気導入口１２ａを通して第１室Ｒ１内に送出している。なお、空気導入口１２ａから空気導出口１１ｂまでの空気が流通する流通路には、空気導入口１２ａおよび空気導出口１１ｂも含まれる。また、第２室Ｒ２は、第２室Ｒ２内に外部からの空気を導入する空気導入口１１ｃを備えている。

これにより、換気用空気ブロワ１５の駆動によって、第２室Ｒ２内の空気が空気導入口１２ａを通して第１室Ｒ１内に送出される。第１室Ｒ１内に導入された換気用空気は、第１室Ｒ１の内壁面とケーシング２１と間を、空気導出口１１ｂに向かって流通し、空気導出口１１ｂから外部に排出される。

さらに、燃料電池システムは、インバータ装置（電力変換装置）５０を備えている。インバータ装置５０は、燃料電池２４から出力される電力を入力し所定の電力に変換して外部電力負荷５３に出力するものである。インバータ装置５０は、燃料電池２４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源５１および外部電力負荷５３に接続されている電源ライン５２に出力する第１機能と、系統電源５１からの交流電圧を電源ライン５２を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機５５に出力する第２機能と、を有している。

インバータ装置５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂ、系統連系インバータ制御装置５０ｃ、およびインバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ｄを備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）５０ａは、燃料電池２４から出力される直流電圧（例えば４０Ｖ）を入力し所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換して出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａは、本燃料電池システムを運転させるための補機５５に、燃料電池２４から入力した直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａは、例えばトランスを構成要素として構成され入力側と出力側が絶縁されている絶縁型であることが好ましい。

ＤＣ／ＡＣインバータ（インバータ）５０ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａから出力される直流電圧（例えば３５０Ｖ）を入力し交流電圧（例えば２００Ｖ）に変換して電源ライン５２に出力し、かつ電源ライン５２から入力した交流電圧（例えば２００Ｖ）を所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換して補機用電源基板５４を介して補機５５に出力するものである。このように、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂは、直流を交流に変換する機能と、交流を直流に変換する機能とを有している。

ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂは、燃料電池２４から入力した電力を変換して電源ライン５２に出力する出力電力を測定する電力測定装置５０ｅを有している。該電力測定装置５０ｅは、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時に、系統電源１２から電源ライン５２を介して入力した電力を変換して補機５５に消費電力として出力する補機消費電力も測定するものである。本実施の形態では、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂは、直流を交流に変換する機能と交流を直流に変換する機能の両機能を内蔵した一つの機器で構成しているが、それぞれの機能を別の機器で構成するようにしてもよい。この場合、電力測定装置５０ｅは、それぞれ別の機器に予め備えられていることが望ましい。

系統連系インバータ制御装置５０ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂの駆動、第１接続器５０ｇ、第２接続器５０ｈのオン・オフを制御するものである。この系統連系インバータ制御装置５０ｃは、制御装置６０と互いに通信可能に接続されており、制御装置６０の指示にしたがってＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂの駆動、第１接続器５０ｇ、第２接続器５０ｈのオン・オフを制御する。

系統連系インバータ制御装置５０ｃは、電力測定装置５０ｅが接続されており、電力測定装置５０ｅからの検出信号（電力測定値）が入力されるようになっている。系統連系インバータ制御装置５０ｃは、電力測定値を制御装置６０に送信するようになっている。制御装置６０は、起動時や停止制御時には電力測定値に基づいて起動時や停止制御時の消費電力を算出している。

インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂまたは整流回路５０ｆからの直流電圧を入力して所定の直流電圧に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａとＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂと系統連系インバータ制御装置５０ｃに電源電圧（駆動電圧）として供給するものである。

整流回路５０ｆは、電源ライン５２と補機５５との間にＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂに並列に設けられ、電源ライン５２からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機５５に供給可能なものである。例えば、整流回路５０ｆは、整流素子である４つのダイオードから構成され、ダイオードブリッジ回路から構成されている。トランスと組み合わせてもよく、平滑化のため抵抗、コンデンサ、コイルなどと組み合わせてもよい。

補機用電源基板５４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂおよび整流回路５０ｆに接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂまたは整流回路５０ｆからの直流電圧を入力して所定の直流電圧（例えば２４Ｖ）に変換して、補機５５に電源電圧として供給するものである。補機用電源基板５４は、制御装置６０の指令によって制御されている。

さらに、燃料電池システムは、燃料電池２４とＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａとの間に設けられた第１接続器５０ｇ、およびＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂと電源ライン５２との間に設けられた第２接続器５０ｈをさらに備えている。

第１接続器５０ｇは、燃料電池２４とＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａとを連通・遮断（オン・オフ）するものであり、系統連系インバータ制御装置５０ｃに接続されその指示によってオン・オフ制御されるものである。第２接続器５０ｈはＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂと電源ライン５２とを連通・遮断（オン・オフ）するものであり、系統連系インバータ制御装置５０ｃに接続されその指示によってオン・オフ制御されるものである。

電源ライン５２には、系統電源１２に対する電力の入出力および電力量を検知する電力測定装置５２ａが設けられており、その検知結果が系統連系インバータ制御装置５０ｃに出力されている。系統連系インバータ制御装置５０ｃは、電力測定値を制御装置６０に送信するようになっている。なお、電力測定値を制御装置６０に出力するようにしてもよい。

また、燃料電池システムは、独自のブレーカ５２ｂを備えている。ブレーカ５２ｂは、電源ライン５２とインバータ装置５０とを接続する電源ラインに設けられている。ブレーカ５２ｂは、ある量以上の電力を使ったり、異常電流が流れたりすると、回路を自動的に遮断して、ブレーカ５２ｂからシステム内部側に電力が供給されるのを禁止する。この遮断時においても、ブレーカ５２ｂの入力端５２ｂ１には電力が供給されている。この入力端５２ｂ１は浸水すると、漏電する可能性があるので、該入力端５２ｂ１は漏電可能部位である。

なお、系統電源（または商用電源）５１は、該系統電源５１に接続された電源ライン５２を介して電力負荷５３に電力を供給するものである。燃料電池２４はインバータ装置５０を介して電源ライン５２に接続されている。電力負荷５３は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。補機５５は、燃料電池モジュール２０に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプ４１ａ，４２ｂおよび換気用空気ブロワ１５などから構成されている。すなわち、補機５５は燃料電池システムを起動、発電、停止させるためのものである。この補機５５は直流電圧にて駆動されるものであり、その駆動電圧は補機用電源基板１８から供給されるようになっている。

また、本実施の形態では、上述した燃料電池システム内（すなわち筐体１１内）であって系統電源５１からインバータ装置５０までの交流電流系統５６のうち浸水することで漏電する可能性のある部位が漏電可能部位である。例えば、ブレーカ５２ｂの入力端５２ｂ１は漏電可能部位である。また、インバータ装置５０も漏電可能部位であり、特に、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂ、電力測定装置５０ｅ、整流回路５０ｆ、第２接続器５０ｈ（特にそれぞれの下端部）が漏電可能部位である。

本実施の形態の燃料電池システムにおいては、この漏電可能部位が純水タンク１３より上方に設置されている。オーバーフローライン１３ｂが設けられている場合には、漏電可能部位は、オーバーフローライン１３ｂが接続されている部位より上方に設置されることが望ましい。オーバーフローライン１３ｂが設けられていない場合には、漏電可能部位は、純水タンク１３の上部開口部（水が浸入する箇所）より上方に設置されることが望ましい。すなわち、外部から純水タンク１３内に水が浸入（流入）する口より、漏電可能部位が上方に設置されることが望ましい。

漏電可能部位は、高電圧（例えば、８０Ｖ以上）の部位である。直流、交流の別はない。実施形態の場合、制御装置６０は５Ｖ駆動である。補機５５は直流２４Ｖ駆動である。燃料電池２４の出力は直流９０〜１００Ｖである。電力変換装置５０と外部電力負荷５３の間は交流２００Ｖ（単相三線）である。漏電可能部位は、燃料電池２４から外部電力負荷５３までの電流系統の部位で、電力変換装置５０自身も含む（第１接続器５０ｇも含む）。

さらに、燃料電池システムは、制御装置６０を備えている。制御装置６０には、上述した導電率計１３ａ、各ポンプ３２ａ，４１ａ，４２ｂ、各ブロワ１５，４４ａ、系統連系インバータ制御装置５０ｃが接続されている（図３参照）。制御装置６０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システムの運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

この制御装置６０は、燃料電池２４が発電可能な状態において、電力測定装置５０ｃにより検知されるインバータ装置５０からの出力電力、および電力測定装置５２ａにより検知される系統電源５１に入出する電力に基づいて外部電力負荷５３で消費される消費電力（発電負荷）を算出する。例えば、インバータ装置５０からの出力電力と系統電源５１に入出する電力との和が消費電力として算出される。制御装置６０は、燃料電池２４の発電電力が、算出した消費電力となるように、燃料電池モジュール２０に供給する原料、水などの供給量を制御する。なお、消費電力が燃料電池２４の最大発電電力を超える場合には、燃料電池２４は最大発電電力で運転される（すなわち発電負荷は最大発電電力となる。）。

また、制御装置６０は、燃料電池システムの全体的な制御を一括集中して行うものであり、燃料電池２４や改質器２１を制御したり、補機５５の駆動を制御したり、インバータ装置５０の駆動を制御したり、補機用電源基板５４を制御したりする。制御装置６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂおよび整流回路５０ｆに接続されているので、制御装置６０には、待機時でも運転時（起動時（起動制御時）、発電時、停止制御時を含む。）でも常に電圧が供給されている。起動時は起動指令が出てから発電開始するまでの間であり、停止制御時は、停止指令が出てからシステムが停止するまでの間である。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。

次に、上述した燃料電池システムの作動について図４を参照して説明する。制御装置６０は、図示しない起動スイッチがオンされると、図５に示すフローチャートに対応するプログラムを所定の短時間毎（例えば、１０ミリ秒）に実行する。制御装置６０は、導電率計１３ａから純水タンク１３内の純水の導電率を読み込む（ステップ１０２）。

制御装置６０は、ステップ１０４において、その導電率が所定値より小さいか否かを判定する。例えば、所定値は１００μＳ／ｃｍ（マイクロジーメンスパーセンチメートル）に設定されている。純水器１４が劣化していない場合には、純水器１４で純水処理された純水の導電率は１〜１０μＳ／ｃｍであり、一般的な水道水の導電率は１００〜３００μＳ／ｃｍであるので、所定値はその間の値に設定されている。例えば、正常値１〜１０μＳ／ｃｍに対して所定値５０μＳ／ｃｍに設定されている。一般的な水道水１００〜３００μＳ／ｃｍや洪水などでの泥水（１００〜３００μＳ／ｃｍ以上）に対して異常と検知可能な値が設定されている。

制御装置６０は、純水タンク１３内の液体の導電率値が所定値未満である場合には、ステップ１０４にて「ＹＥＳ」と判定し、定常運転、起動運転、待機運転を継続する（ステップ１０６）。一方、制御装置６０は、純水タンク１３内の液体の導電率値が所定値以上である場合には、ステップ１０４にて「NO」と判定し、ステップ１１０にて、定常運転、起動運転、待機運転を停止する（すなわちシステムを停止する）。なお、制御装置６０は、停止するに先立って、停止する旨の警告を行う（ステップ１０８）。警告は、音声、画像、点灯などで行われる。

制御装置６０は、ステップ１１０において、最初に第２接続器５０ｈを遮断させ（開状態とし）、次に原料ポンプ４２ｂ、改質水ポンプ４１ａの駆動を停止することで燃料電池２４の発電を停止させ、貯湯水循環ポンプ３２ａ、各ブロワ１５，４４ａの駆動を停止させ、その後、第１接続器５０ｇを遮断させる（開状態とする）。その後、系統連系インバータ制御装置５０ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂ、およびインバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ｄの動作を停止する。

上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、液体の導電率を検知する導電率計１３ａを容器内に備えた純水タンク１３が、燃料電池システム内であって系統電源５１からインバータ装置５０までの交流電流系統５６のうち浸水することで漏電する可能性のある漏電可能部位より下方に設置されている。これにより、燃料電池システムが冠水した場合、外部の水（例えば洪水時の水：一般的に正常状態の燃料電池システムの回収水より導電率が高い）が、オーバーフローライン１３ｂを逆流したり純水タンク１３の上部から流入するなどして純水タンク１３内に浸入すると、その外部の水は導電率が高いので、導電率計１３ａの測定値がそれまでの値（外部の水が進水する前の純水タンク１３ａ内の液体の値）より高くなる。したがって、このことを利用することで、外部の水が純水タンク１３内に浸入することすなわち燃料電池システムの冠水を確実かつ的確に検出することが可能であり、この検出時から時間をおかないで燃料電池システムを早期に停止（電力変換装置の停止も含む）することが可能となる。そうすると、さらに冠水が進んで、純水タンク１３より上方に配設されたインバータ装置５９を含む漏電可能部位が浸水する前に、燃料電池システムを停止することができ、ひいては漏電可能部位が浸水しても該漏電可能部位からの漏電を抑制することができる。また、専用の水位センサを設けなくても、従来から燃料電池システムの純水タンク１３内に設置されていた導電率計１３ａを使用することで冠水を検知できるので、コスト上昇を抑制しつつ、冠水を的確に検知することができる。

また、燃料電池２４を少なくとも含んで構成された燃料電池モジュール２０と、燃料電池モジュール２０から排気される燃焼排ガスが供給され、該燃焼排ガスを凝縮する凝縮器３３と、凝縮器３３から凝縮水が供給され、該凝縮水を純水化する純水器１４と、をさらに備え、純水タンク１３は、純水器１４で処理された後の水を液体として貯蔵する。これにより、純水器１４で処理された後の純水タンク１３に貯蔵されている液体（純水化後の凝縮水）の導電率は比較的小さい値であるため、純水タンク１３の冠水を感度良く検出することができる。

また、導電率計１３ａの検知結果が送信される制御装置６０をさらに備え、制御装置６０は、純水タンク１３内の液体の導電率値が所定値以上となった場合、燃料電池システムを停止する。これにより、燃料電池システムの冠水を事前に検出することができ、この検出時から時間をおかないで燃料電池システムを確実かつ早期に停止（インバータ装置５０の停止も含む）することができる。

なお、導電率計１３ｂは、そもそも純水器１４の劣化や燃料電池２４の故障（故障により燃料電池２４からの電解物質（イオン状態）が流出する故障）を検出するために設けられている。したがって、導電率計１３ｂの測定値が所定値以上となったからといって、燃料電池システムが冠水したと判断しきれない部分はある。

そこで、制御装置６０は、純水タンク１３内の液体の導電率値の変化速度が所定速度以上となった場合、純水タンク１３が浸水したと判断し、燃料電池システムを停止するようにしてもよい。この場合。図５に示すフローチャートに沿ってプログラムを実行すればよい。基本的には図４に示すフローチャートと同様であるので、異なる処理のみ説明する。なお、図４のフローチャートと同一処理は同一符号を付してその説明を省略する。

ステップ１５２において、制御装置６０は、ステップ１０２で読み込んだ導電率値から導電率の変化速度を導出する。ステップ１５４において、制御装置６０は、導出された導電率の変化速度が所定速度より小さいか否かを判定する。純水器１４の劣化、燃料電池２４の故障による導電率値の上昇より、燃料電池システムが冠水し泥水が純水タンク１３内に浸入することによる導電率値の上昇のほうが速いと想定されるため、泥水が純水タンク１３内に浸入することによる変化速度に基づいて所定速度を設定すればよい。

制御装置６０は、導電率の変化速度が所定速度未満である場合には、ステップ１５４にて「ＹＥＳ」と判定し、定常運転、起動運転、待機運転を継続する（ステップ１０６）。一方、制御装置６０は、導電率の変化速度が所定速度以上である場合には、ステップ１５４にて「NO」と判定し、ステップ１１０にて、定常運転、起動運転、待機運転を停止する（すなわちシステムを停止する）。

このように、制御装置６０は、純水タンク１３内の液体の導電率値の変化速度が所定速度以上となった場合、純水タンク１３が浸水したと判断し、燃料電池システムを停止する。これにより、例えば純水器などの異常と区別して燃料電池システムの冠水を事前に検出することができ、この検出時から時間をおかないで燃料電池システムを確実かつ早期に停止（電力変換装置の停止も含む）することができる。

また、導電率計１３ｂは、そもそも純水器１４の劣化や燃料電池２４の故障（故障により燃料電池２４からの電解物質（イオン状態）が流出する故障）を検出するために設けられている。したがって、この導電率計１３ｂは日常的に作動しているセンサであり、このように日常的に作動しているセンサによって燃料電池システムの冠水を検出できるため、頻繁に発生しない冠水でも高い信頼性で検出することができる。

また、上述した実施の形態において、図６に示すように、燃料電池システムが２次電源（バッテリ）５７を備えていてもよい。これによれば、制御装置６０が浸水していなければ、２次電源５７からの電力が制御装置６０に供給可能となるので、制御装置６０の制御により燃料電池システムを自動的に復帰させることができる。

なお、燃料電池システムで使用する液体のタンクとして、純水タンク１３以外に、凝縮水を貯蔵する凝縮水タンク、純水器（水精製器）、高分子形燃料電池などのように燃料電池を冷却する冷却水回路が存在する燃料電池システムでは冷却水タンク、原燃料がエタノールなどの液体を使用する場合には原燃料タンクなどがある。純水タンク１３以外の場合には導電率計が新たに必要である。

また、例えば、凝縮器３３の熱交換部３３ｅに穴が開いて貯湯水がもれたとき、後段のタンク（純水タンク１３）の導電率が上昇する。これによって浸水以外の場合の不具合を判断できる。この場合にもシステムを停止する。なお、その後段のタンクとして凝縮水タンクで判断するほうが早く判断できるため好ましいが、純水器（水精製器）や純水タンクでも貯湯水によってイオン交換樹脂のイオン交換能力が飽和して導電率が上がるため判断できる。このように、水道水（貯湯水）も検出対象である。

１１…筐体、１１ａ…第１排気口、１１ｂ…空気導出口、１１ｃ…空気導入口、１２…仕切部材、１２ａ…空気導入口、１３…純水タンク、１４…純水器、１５…換気用空気ブロワ（送風手段）、２０…燃料電池モジュール、２１…ケーシング、２１ａ…導出口、２２…蒸発部、２３…改質部、２４…燃料電池、２４ａ…セル、２４ｂ…燃料流路、２４ｃ…空気流路、２５…マニホールド、３０…排熱回収システム、３１…貯湯槽、３２…貯湯水循環ライン、３２…貯湯水循環ポンプ、３２ｂ…温度センサ、３３…第１熱交換器、５０…インバータ装置（電力変換装置）、５０ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５０ｂ…ＤＣ／ＡＣインバータ、５０ｃ…系統連系インバータ制御装置、５０ｄ…インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ、５０ｅ…電力測定装置、５０ｆ…整流回路、５０ｇ…第１接続器、５０ｈ…第２接続器、５１…系統電源、５２…電源ライン、５２ａ…電力測定装置、５３…外部電力負荷、５４…補機用電源基板、５５…補機、５６…交流電流系統、５７…２次電源（バッテリ）、６０…制御装置、Ｒ１…第１室、Ｒ２…第２室。

Claims (3)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電して外部電力負荷に出力する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から出力される電力を入力し所定の電力に変換して前記外部電力負荷に出力する電力変換装置と、
   前記燃料電池システムで使用する液体を貯蔵する容器であり、該液体の導電率を検知する導電率計を前記容器内に備えたタンクと、
   前記燃料電池を少なくとも含んで構成された燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスが供給され、該燃焼排ガスを凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器から凝縮水が供給され、該凝縮水を純水化する純水器と、
   前記導電率計の検知結果が送信される制御装置と、
   を備え、
   前記タンクが、前記燃料電池システム内であって前記燃料電池から前記外部電力負荷までの電流系統のうち浸水することで漏電する可能性のある漏電可能部位より下方に設置されており、前記純水器で処理された後の水を前記液体として貯蔵するものであり、
   前記制御装置は、前記タンク内の液体の導電率値が、前記純水器で処理された後の水の導電率より大きい値に設定されている所定値以上となった場合、前記タンクが浸水したと判断して前記燃料電池システムを停止することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料と酸化剤ガスとにより発電して外部電力負荷に出力する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から出力される電力を入力し所定の電力に変換して前記外部電力負荷に出力する電力変換装置と、
   前記燃料電池システムで使用する液体を貯蔵する容器であり、該液体の導電率を検知する導電率計を前記容器内に備えたタンクと、
   前記導電率計の検知結果が送信される制御装置と、
   を備え、
   前記タンクが、前記燃料電池システム内であって前記燃料電池から前記外部電力負荷までの電流系統のうち浸水することで漏電する可能性のある漏電可能部位より下方に設置されており、
   前記制御装置は、前記タンク内の液体の導電率値の変化速度が所定速度以上となった場合、前記タンクが浸水したと判断して前記燃料電池システムを停止することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記燃料電池を少なくとも含んで構成された燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスが供給され、該燃焼排ガスを凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器から凝縮水が供給され、該凝縮水を純水化する純水器と、をさらに備え、
   前記タンクは、前記純水器で処理された後の水を前記液体として貯蔵するものであることを特徴とする燃料電池システム。

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