JP5451851B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に燃料電池の発電に関連する水の貯留器を自動的に水張りするものに関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤とを反応させて発電するものである。ところが、この発電の際に電気とともに熱が発生する。発電を適切に行うためには燃料電池を適切な温度に維持する必要がある。

そこで、燃料電池では、通常、冷却水で燃料電池を冷却している。この冷却水は、通常、冷却水タンクに貯留される。そして、この冷却水貯留器と燃料電池と放熱部とを含むように形成された循環流路に冷却水を流すことによって、燃料電池から熱が冷却水に伝達され、この熱が放熱部で冷却水から放出され、それにより、燃料電池が冷却される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１８５１６６

ところで、上記従来の燃料電池を設置した場合、これを運転する前に、冷却水タンク（及び冷却水循環流路）を水で満たす（以下、水を張るという）必要がある。この水張りは人手によって行っていた。従って、手間が掛かっていた。

また、燃料処理器を有する燃料電池発電システムでは、燃料電池から排出される未反応の燃料及び酸化剤から回収した水（以下、回収水という）を回収水タンクに貯留し、これを燃料処理器に改質用の水として供給しかつ冷却水タンクに冷却水として供給している。
さらに、燃料電池コージェネレーションシステムでは、冷却水と熱交換して昇温された湯（以下、貯湯水という）を貯留する貯湯タンクを備えている。

このような燃料処理器を有する燃料電池発電システムや燃料電池コージェネレーションシステムを設置した場合には、さらにこれら回収水タンク及び回収水供給流路並びに貯湯タンク及び貯湯水循環流路に水を張る必要があり、さらに手間が掛かっていた。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、発電と関連する水の貯留器に手間を掛けないで水を張ることが可能な燃料電池発電システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤とを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電に関連する水である水を貯留する水貯留器と、制御装置と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池発電システムは、前記制御装置の制御によって前記燃料電池の冷却水を貯留する冷却水貯留器を含む前記水貯留器を前記燃料電池発電システムの外部からの水で満たす水張りモードを有する。

前記燃料電池発電システムは、前記水貯留器として、前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料及び酸化剤の少なくともいずれかから回収された回収水を貯留する回収水貯留器を備え、該回収水貯留器が前記水張りモードにおいて前記外部からの水で満たされてもよい。

前記回収水貯留器がこれに前記燃料電池発電システムの外部から水を供給可能に構成され、かつ前記冷却水貯留器がこれに前記回収水貯留器から回収水を供給可能に構成され、前記制御装置は、前記水張りモードにおいて、前記回収水貯留器に前記外部からの水を供給し、この供給する水によって前記回収水貯留器、及び前記冷却水貯留器を順次満たすよう前記燃料電池発電システムを制御してもよい。

前記燃料電池発電システムは、前記冷却水を前記燃料電池と前記冷却水貯留器とを含む循環経路を循環させる第１のポンプと、前記回収水貯留器から前記冷却水貯留器に前記回収水を供給する第２のポンプとを有し、前記制御装置は、前記水張りモードにおいて、前記第２のポンプの起動から所定時間経過後に前記第１のポンプを起動してもよい。このような構成とすると、第１のポンプの空打ちを防止することができる。

前記制御装置は、前記水張りモードにおいて、前記回収水貯留器への前記外部からの水の供給開始から所定時間経過後に前記第２のポンプを起動してもよい。

前記燃料電池発電システムは、前記水貯留器として、前記冷却水から熱交換により伝達された熱を利用する熱利用水を貯える熱利用水貯留器を備え、前記水張りモードにおいて前記熱利用水貯留器が前記外部からの水で満たされてもよい。

前記水貯留器として、前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料及び酸化剤の少なくともいずれかから回収された回収水を貯留する回収水貯留器を備え、前記熱利用水貯留器がこれに前記燃料電池発電システムの外部から水を供給することが可能なように構成され、前記回収水貯留器がこれに前記熱利用水貯留器から熱利用水を供給可能に構成され、かつ前記冷却水貯留器がこれに前記回収水貯留器から回収水を供給可能に構成され、前記制御装置は、前記水張りモードにおいて、前記熱利用水貯留器に前記外部からの水を供給し、この供給する水によって前記熱利用水貯留器、前記回収水貯留器、及び前記冷却水貯留器を順次満たすよう前記燃料電池発電システムを制御してもよい。

前記熱利用水が前記熱利用水貯留器から出て前記冷却水と熱交換した後該熱利用水貯留器に戻るように構成された熱利用水循環経路と、熱利用水貯留器及び前記熱利用循環経路から空気を抜くための空気抜き手段とを有し、前記制御装置は、前記水張りモードにおいて、前記熱利用水貯留器及び前記熱利用循環経路を前記外部からの水で満たす際に前記空気抜き手段によって該熱利用水貯留器及び前記熱利用循環経路から空気を抜くよう燃料電池発電システムを制御してもよい。

前記燃料電池発電システムは、前記水張りモードを開始するための水張り操作部を有し、前記制御装置は、前記水張り操作部が操作されると、前記水張りモードを開始するよう前記燃料電池発電システムを制御してもよい。

前記燃料電池発電システムは、前記水張り操作部として水張りスイッチを有し、前記制御装置は、前記水張りスイッチがＯＮされると、前記水張りモードを開始させてもよい。

前記燃料電池発電システムは、表示手段と情報入力手段とを有し、前記制御装置は前記表示手段に前記水張りモードの要否を表示させ、前記情報入力手段から水張りモードが必要である旨の情報が入力されると、前記水張りモードを開始させてもよい。

前記燃料電池発電システムは、該燃料電池発電システムへの電源電力の供給を検出する電源電力供給検出手段を有し、
前記制御装置は、前記電源電力の供給が検出されると、前記水張りモードを開始するよう前記燃料電池発電システムを制御してもよい。

前記電源電力供給検出手段が前記燃料電池発電システムへの電源電力を供給及び遮断する電源スイッチであり、前記制御装置は、前記電源スイッチがＯＮされると、前記水張りモードを開始させてもよい。

前記燃料電池発電システムは、前記発電のための運転を開始するための発電操作部を有し、前記制御装置は、前記発電操作部が操作されると、前記水張りモードを開始するよう前記燃料電池発電システムを制御してもよい。

前記制御装置は、前記水張りモードの終了後、前記発電のための運転を開始するよう前記燃料電池発電システムを制御してもよい。

前記燃料電池発電システムは、前記燃料電池の運転履歴を記憶するための記憶手段を有し、前記制御装置は、前記発電を行うべき旨の指令を受けた場合に、前記記憶された運転履歴中の最後の前記燃料電池の運転停止から所定期間が経過していると、前記水張りモードを開始するよう前記燃料電池発電システムを制御してもよい。

前記燃料電池発電システムは、前記水貯留器の水位を検出する水位検出器を有し、前記制御装置は、前記発電を行うべき旨の指令を受けた場合に、前記検出された水位が所定水位以下であると、前記水張りモードを開始するよう前記燃料電池発電システムを制御する、前記水張りモードを開始させてもよい。

前記制御装置は、前記水張りモード中には、前記発電のための運転を開始しないよう前記燃料電池発電システムを制御してもよい。

本発明は以上に説明した構成を有し、燃料電池発電システムにおいて、発電と関連する水の貯留器に手間を掛けないで水を張ることが可能であるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。 図１の燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。 図２の水張りモードの制御プログラムの内容を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。 図４の燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。 本発明の本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。 図７の燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。 本発明の本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。 図９の燃料電池発電システムにおける水張りモードに関する制御プログラムの概要を示すフローチャートである。 本発明の本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池発電システムは大別するとハードウエアと制御系統とで構成されており、最初にハードウエアについて説明する。

本実施の形態の燃料電池発電システムは、コージェネレーションシステムで構成され、燃料電池１と、反応ガス供給及び排出系統２０１と、冷却系統２０２と、熱利用系統２０３とを有している。

まず、燃料電池１及び反応ガス供給及び排出系統２０１を説明する。燃料電池１はアノード及びカソード（図示せず）を有している。燃料電池１は、例えば高分子電解質型燃料電池で構成されている。燃料電池１のアノードには燃料供給路４１を通じて燃料処理器２２から燃料ガス（燃料）が供給される。燃料処理器２２は、図示されない改質器を有し、外部から供給される天然ガス等からなる原料を、水を用いて改質して水素リッチな改質ガスを生成し、これを燃料ガスとして供給する。また、燃料処理器２２には、例えばバーナからなる燃焼器２３が配設され、この燃焼器２３における燃料の燃焼によって改質部に原料の改質に必要な熱が供給される。

一方、燃料電池１のカソードには、酸化剤ガス供給流路４３を通じて酸化剤ガスとしての空気が供給される。そして、それぞれアノード及びカソードに供給された燃料ガス及び空気がそこで触媒を介して反応して電気及び熱が発生する。これにより、燃料電池１が発電する。アノードで反応しなかった残余の燃料ガスは燃料電池１から燃料ガス排出流路４２を通じて燃料処理器２２の燃焼器２３にその燃料として供給される。また、カソードで反応しなかった残余の空気は燃料電池１から酸化剤ガス排出流路４４を通じて大気中に放出される。

燃料ガス排出流路４２及び酸化剤ガス排出流路４４の途中には水回収器２が設けられている。水回収器２は、ここでは周知の凝縮器で構成されており、また、燃料ガスと空気とは別個に処理される。燃料ガス排出流路４２及び酸化剤ガス排出流路４４から水回収器２にそれぞれ流入した燃料ガス及び空気は、冷却され、それにより各々に含まれる水分が凝縮して該燃料ガス及び空気から分離する。この水が分離した燃料ガス及び空気は水回収器２からそれぞれ燃料ガス排出流路４２及び酸化剤ガス排出流路４４に流出する。一方、分離した水は回収水として回収水タンク（回収水貯留器）３に流入する。

回収水タンク３はこの回収水を貯留する。回収水タンク３には、通気孔３ａが設けられ、その内部空間が大気と連通している。また、回収水タンク３には、回収水の下限の水位を検出する第２の水位検出器１３が配設されている。第２の水位検出器１３は、ここでは、基端が回収水タンク３の内面に所定角度範囲内で揺動自在に配設されたアーム１３ｂと、このアーム１３ｂの先端に配設されたフロート１３ａと、アーム１３ｂが上限位置まで揺動したときにこれを検出する位置センサ（図示せず）とを有している。従って、水位が上昇してフロート１３ａが水没すると、アーム１３ｂが上限位置まで揺動して、位置センサから検出信号が出力され、水位が下降してフロート１３ａが水面に浮上すると、アーム１３ｂが上限位置から下へ揺動して、位置センサの検出信号が消滅する。つまり、第２の水位検出器１３は、この位置センサの検出信号の出力の有無により回収水の水位が下限内か否かを検出する。以下、アーム１３ｂが上限位置まで揺動することを「第２の水位検出器１３が上昇する」と表現し、アーム１３ｂが上限位置から下へ揺動することを「第２の水位検出器１３が下降する」と表現する。第２の水位検出器１３の検出信号（具体的には位置センサの検出信号）は後述する制御装置２１の演算部３１に入力されている。回収水タンク３に貯留された回収水は、改質水供給ポンプ２９によって燃料処理器２２の改質部に改質用の水として供給される。

次に、冷却系統２０２を説明する。冷却系統２０２は、冷却水タンク（冷却水貯留器）８を有している。この冷却水タンク８には、回収水タンク３から延出する冷却水供給流路１１が接続されている。冷却水供給流路１１には冷却水供給ポンプ（第２のポンプ）３３とフィルタ２８とが設けられている。回収水タンク３の回収水は、冷却水供給ポンプ３３により冷却水供給路１１を通じて冷却水タンク８に供給される。この際、回収水はフィルタ２８で浄化される。

冷却水タンク８は回収水タンク３から供給された回収水を冷却水として貯留する。冷却水タンク８には、通気孔８ａが設けられ、その内部空間が大気と連通している。また、冷却水タンク８には、冷却水の下限の水位を検出する第１の水位検出器１２が配設されている。第１の水位検出器１２は、第２の水位検出器１３と同じ構造を有している。すなわち、基端が冷却水タンク８の内面に所定角度範囲内で揺動自在に配設されたアーム１２ｂと、このアーム１２ｂの先端に配設されたフロート１２ａと、アーム１２ａが上限位置まで揺動したときにこれを検出する位置センサ（図示せず）とを有している。従って、水位が上昇してフロートが水没すると、アーム１２ｂが上限位置まで揺動して、位置センサから検出信号が出力され、水位が下降してフロート１２ａが水面に浮上すると、アーム１２ｂが上限位置から下へ揺動して、位置センサの検出信号が消滅する。つまり、第１の水位検出器１２は、この位置センサの検出信号の出力の有無により冷却水の水位が下限内か否かを検出する。以下、アーム１２ｂが上限位置まで揺動することを「第１の水位検出器１２が上昇する」と表現し、アーム１２ｂが上限位置から下へ揺動することを「第１の水位検出器１２が下降する」と表現する。第１の水位検出器１２の検出信号（具体的には位置センサの検出信号）は後述する制御装置２１の演算部３１に入力されている。

冷却系統２０２には、冷却水タンク８の出口から燃料電池１を通って冷却水タンク８の入口に延びるように冷却水循環流路９が形成されている。冷却水循環流路９の冷却水タンク８の出口から燃料電池１に延びる往路９ａには冷却水循環ポンプ（第１のポンプ）４が配設されている。冷却水循環流路９の燃料電池１から冷却水タンク８の入口に延びる復路９ｂには後述する貯湯水と熱交換するための熱交換器５が配設されている。復路９ｂには、該復路９ｂの熱交換器５の両側に位置する部分同士を接続する（バイパスする）ように、バイパス６が形成されている。バイパス６と、復路９ｂの熱交換器５と冷却水タンク８との間の部分との接続点には、混合弁７が配設されている。混合弁７は、冷却水タンク８側の復路９ａに接続されたポートのバイパス６に接続されたポートへの開度（以下、単にバイパス側の開度という）と、同ポートの熱交換器５に接続されたポートへの開度（以下、単に熱交換器側の開度という）との比率を調整できるように構成されている。従って、混合弁７のバイパス側の開度と熱交換器側の開度との比率を変えることによって、往路９ｂを流れる冷却水のうちの、熱交換器５を経由する部分とバイパス６を経由する部分との比率を変えることができる。これにより、往路９ｂを流れる冷却水の熱交換器５による放熱量を調整して冷却水の温度を調整することができる。

次に、熱利用系統２０３を説明する。熱利用系統２０３は貯湯タンク（熱利用水貯留器）１４を有している。本実施の形態では、この貯湯タンク１４には積層沸き上げ方式が採用されている。すなわち、貯湯タンク１４の下部に貯湯水（熱利用水）の出口が形成され、貯湯タンク１４の上部に貯湯水の入口が形成されている。そして、貯湯タンク１４の出口から熱交換器５を通って貯湯タンク１４の入口に延びる貯湯水循環流路３５が形成されている。貯湯水循環流路３５の貯湯水タンク３５の出口から熱交換器５に延びる往路３５ａには貯湯水循環ポンプ３４が配設されている。また、貯湯タンク１４の下端部には外部からの水（以下、外水という（ここでは市水））を導入するための外水配管３６が接続されており、この外水配管３６には元栓３９が配設されている。さらに、貯湯タンク１４の上端部には給湯配管３７が接続されている。

また、貯湯タンク１４の上部には、空気抜き弁２４が配設されている。空気抜き弁２４は、容器状のケース２４ａを有している。ケース２４ａの底部には導入管２４ｂが接続され、ケース２４ａの頂部には排出管２４ｃが接続されている。そして、ケース２４ａの内部を中央に開口を有して横断するように板状の弁座２７が配設され、この弁座２７の下方に、フロート２５上に配設された弁体２６が配置されている。そして、導入管２４ｂの先端が貯湯タンク１４に接続されている。従って、空気抜き弁２４では、導入管２４ｂからケース２４ａ内に空気が流入している状態では、弁体２６が弁座２７から離座していて、導入された空気は弁座２７の開口を通って排出管２４ｃから排出される。そして、導入管２４ｂからケース２４ａ内に水が流入すると、フロート２５の浮力により弁体２６が弁座２７に着座して、弁座２７の内側（導入管２４ｂ側）がその外側（排出管２４ｃ側）からシールされる。これにより、貯湯タンク１４及び貯湯水循環流路３５に水を張る際に、この空気抜き弁２４を通じて貯湯タンク１４及び貯湯水循環流路３５内の空気を抜くことができる。

そして、貯湯水循環流路３５の往路３５ａの、貯湯水循環ポンプ３４と貯湯タンク１４の出口との間の部分が外水供給流路６１によって回収水タンク３に接続されている。外水供給流路６１には、例えば電磁弁からなる開閉弁１０が配設されている。この開閉弁１０を開放することにより、後述する水張り時に貯湯タンク１４から外水を回収水タンク３に供給することができる。

次に、制御系統について説明する。

燃料電池発電システムは、制御装置２１と、燃料電池発電システムの電源電力を供給及び遮断する電源スイッチ５１と、後述する水張りを指令する水張りスイッチ５２と、発電を指令する運転スイッチ５３とを有している。

制御装置２１は、ここではマイコンで構成され、演算部３１はマイコンのＣＰＵで構成され、記憶部３２はマイコンの内部メモリ（ＲＡＭ及びＲＯＭ）で構成されている。
演算部３１には第１の水位検出器１２及び第２の水位検出器１３の検出出力が入力されている。また、演算部３１には、電源スイッチ５１、水張りスイッチ５２、及び運転スイッチ５３の出力が入力されている。

一方、演算部３１は、冷却水循環ポンプ４、冷却水供給ポンプ３３、貯湯水循環ポンプ３４、改質水供給ポンプ２９、混合弁７、及び開閉弁１０の動作を制御している。演算部３１には、この他に、燃料電池発電システムの所要の状態量が検出されて入力されている。そして、記憶部３２には燃料電池発電システムの各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算装置３１は、記憶部３２から所要のプログラムを読み出してこれを実行することによって、燃料電池発電システムの各種の動作を制御する。この制御は、上記検出された状態量に基づいて必要な処理を行いかつその処理に基づいて必要な制御信号を出力することによって行われる。

ここで、本明細書において、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも意味する。よって、制御装置２１は、必ずしも単独の制御装置で構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池発電システムの動作を制御するよう構成されていてもよい。

次に、以上のように構成された燃料電池発電システムの動作を説明する。燃料電池発電システムは、動作モードとして、通常の発電を行う運転モードと水張りモードとを有している。

まず、運転モードについて説明する。

図１において、電源スイッチ５１がＯＮされると、燃料電池発電システムは所要の部位に電力が供給され、所要のスタンバイ動作が行われる。なお、外水配管３６の元栓３９は、燃料電池発電システムの使用時には、常時、開放されている。

次いで、運転スイッチがＯＮされると、以下の運転モードが遂行される。なお、運転モードについては、本発明と関連する部分のみについてその概要を説明する。

燃料電池１及び反応ガス供給及び排出系統２０１では、燃料処理器２２で改質ガスからなる燃料ガスが生成され、この燃料ガスが燃料電池１のアノードに供給される。また、空気が燃料電池１のカソードに供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガスと空気とが触媒を介して反応して発電が行われる。この際、熱も同時に発生する。未反応の燃料ガス及び空気は燃料電池１から排出され、その過程で、水回収器２によって各々が含む水が凝縮により回収される。この回収水は回収水タンク３に貯留される。

冷却系統２０２では、冷却液循環ポンプ４によって冷却水タンク８の冷却水が循環され、冷却水が燃料電池１から熱を受け取ってこの熱を熱交換器５において熱交換により貯湯水に与える。この際、混合弁７のバイパス側の開度と熱交換器側の開度との比率が適宜調整される。これにより、燃料電池１が適温に維持されかつ貯湯水が昇温される。

熱利用系統２０３では、貯湯水循環ポンプ３４によって貯湯水が循環され、貯湯タンク１４の出口から出た貯湯水が熱交換器５で熱交換により冷却水から熱を受け取って昇温され、この昇温された貯湯水が貯湯タンク１４の入口に戻り、貯湯タンク１４に貯留される。これにより、燃料電池１で発生した熱が回収されて貯湯タンク１４に熱エネルギーとして蓄積される。

一方、貯湯タンク１４に貯留された貯湯水は、給湯配管３７を通じて利用者の利用に供される。利用者の利用により、貯湯タンク１４の貯湯水が減少すると、外水配管３６から市水が補充される。これにより、貯湯タンク１４に蓄積された熱エネルギーが有効に利用される。

なお、冷却水タンク８の第１の水位検出器１２が下降して、水位が下限を下回ったことが検出されると、冷却水供給ポンプ３３が作動して回収水タンク３の回収水を冷却水タンク８に供給する。また、回収水タンク３の第２の水位検出器１３が下降して、水位が下限を下回ったことが検出されると、開閉弁１０が開放され、水圧により、貯湯タンク１４と貯湯水循環流路３５の往路３５ａと外水供給流路６１とを経由して外水配管３６から市水が回収水タンク３に供給される。

そして、運転スイッチ５３がＯＦＦされると、以上の動作が停止され、それにより、運転モードが終了する。

次に、本発明を特徴付ける水張りモードについて説明する。燃料電池発電システムが設置された直後には、冷却水タンク８、回収水タンク３、及び貯湯タンク１４は、空である。また、冷却水循環流路９、冷却水供給流路１１、及び貯湯水循環流路３５も空である。従って、燃料電池発電システムを運転する前にこれらに水を張る必要がある。また、燃料電池発電システムを長期間使用しなかった場合にも、水の蒸発等により上述の箇所の水が欠乏する場合がある。そこで、このような場合に、本実施の形態では、これらの箇所に対し自動水張りが行われる。

図２は図１の燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャート、図３は図２の水張りモードの制御プログラムの内容を示すフローチャートである。

図１及び図２に示すように、水張り制御プログラムは、制御装置２１の記憶部３２に格納されており、これを演算部３１が読み出して実行する。それにより、燃料電池発電システムにおいて水張りモードが遂行される。

本実施の形態では、まず、外水配管３６の元栓３９が自動水張りの実施に先立って手動で開放され、それにより貯湯タンク１４に外水配管３６から外水が導入され、貯湯タンク１４に水が張られる。

そして、電源スイッチ５１がＯＮされると、演算部３１は、水張りスイッチ５２がＯＮされるのを待機する（ステップＳ１）。そして、水張りスイッチ５２がＯＮされると、水張りモードの制御を行う（ステップＳ１０１）。

詳しく説明すると、図１及び図３に示すように、水張りスイッチ５２がＯＮされると、演算部３１は開閉弁１０を開放する（ステップＳ２）。これにより、貯湯タンク１４から貯湯水循環流路３５の往路３５ａと外水供給流路６１とを通じて外水が水圧により回収水タンク３に供給され、その水位が上昇する。

次いで、演算部３１は、回収水タンク３の第２の水位検出器１３が上昇するまで待機する（ステップＳ３）。そして、回収水タンク３の水位の上昇により第２の水位検出器１３が上昇すると、演算器３１は、ステップＳ４以降のステップの制御とステップＳ１５以降のステップの制御とをパラレルに行う。

まず、ステップＳ４以降のステップについて説明する。

ステップＳ４において、演算部３１は、冷却水供給ポンプ３３を作動させる。これにより、回収水タンク３から冷却水タンク８に外水が供給され、その水位が上昇する。また、上述のステップＳ３において、第２の水位検出器１３が上昇した（回収水タンク３の水位が下限水位に達した）後に、このように冷却水供給ポンプ３３を作動させることにより、冷却水供給ポンプ３３の空打ち（ポンプ内に空気が導入されること）が確実に防止される。

次いで、演算部３１は、冷却水タンク３の第１の液面検出器１２が上昇するまで待機する（ステップＳ５）。そして、冷却水タンク３の水位の上昇により第１の水位検出器１２が上昇すると、演算部３１はステップＳ６に進む。なお、この時点で冷却水タンクの水張りが完了する。

ステップＳ６において、演算部３１は、冷却水循環ポンプ４を作動させ、計数Ｎを１に設定する。これにより、冷却水循環流路９に外水が導入される。また、上述のステップＳ５において、第１の水位検出器１２が上昇した（冷却水タンク８の水位が下限水位に達した）た後に、このように冷却水循環ポンプ４を作動させることにより、冷却水供給ポンプ４の空打ちが確実に防止される。

次いで、演算部３１は、混合弁７のバイパス側の開度を全開にする（ステップＳ７）。これにより、バイパス６に外水が導入される。

次いで、演算部３１は、混合弁７の熱交換器側の開度を全開にする（ステップＳ８）。これにより、冷却水循環流路の、バイパス９によってバイパスされる部分（熱交換器５を含む）に外水が導入される。

次いで、演算部３１は、計数Ｎが３か否か判定し（ステップＳ９）、ここでは「否」であるので、計数Ｎを１インクリメントし（ステップＳ１４）、その後、ステップＳ７、８を経てステップＳ９戻る。そして、さらに、ステップＳ１４，７，８を経てステップＳ９に戻る。すると、計数Ｎが３であるので、ステップＳ１０に進む。この計数Ｎをインクリメントしている間に冷却水循環流路９に水が張られる。換言すれば、冷却水循環流路９の空気抜きが行われる。

ステップＳ１０では、演算部３１は、混合弁７のバイパス側の開度を全開する（ステップＳ１０）。これは、運転モードにおける燃料電池発電システムの起動時には燃料電池１を暖機することから、冷却水が貯湯水と熱交換して熱を奪われるのを防止するためである。

次いで、演算部３１は、冷却水循環ポンプ４を停止する（ステップＳ１１）。

次いで、演算部３１は、開閉弁１０を閉止する（ステップＳ１２）。これにより、冷却水循環流路９の水張り、すなわち、空気抜きが終了する。

次いで、演算部３１は、パラレルに制御している貯湯水循環ポンプ３４が停止するのを待機する（ステップＳ１３）。

そして、貯湯水循環ポンプ３４が停止すると、水張りモードの制御を終了する。

次に、ステップＳ１５以降の制御を説明する。

ステップＳ１５において、演算部３１は、貯湯水循環ポンプ３４を作動させる。これにより、貯湯水循環流路３５に外水が導入される。

次いで、演算部３１は、貯湯水循環ポンプ３４の作動後５分が経過するのを待つ（ステップＳ１６）。

そして、貯湯水循環ポンプ３４の作動後５分が経過すると、貯湯水循環ポンプ３４を停止する（ステップＳ１７）。これにより、貯湯水循環流路３４の水張り、すなわち、空気抜きが終了する。なお、貯湯タンク１４は外水配管３６の元栓３９の開放により水張りされる。また、貯湯水循環流路３５の水張りの際には、貯湯タンク１４の空気抜き弁２４から空気が抜ける。

次いで、演算部３１は、パラレルに制御している冷却水循環ポンプ４が停止するのを待機する（ステップＳ１８）。

そして、冷却水循環ポンプ４が停止すると、水張りモードの制御を終了する。

このようにして、自動水張りが行われる。

次に、運転モードと水張りモードとの関係を説明する。本実施の形態では、運転モードと水張りモードとは別個に制御されるが、演算部３１は、水張りモードを優先し、水張りモードを遂行している間に、運転スイッチ５３がＯＮされると、水張りモードを遂行した後に、運転モードを遂行するよう、燃料電池発電システムを制御する。

なお、ステップＳ６において、冷却水循環ポンプ４の空打ちを確実に防止するために、ステップＳ４における冷却水供給ポンプ３３の起動から所定時間経過後に冷却水循環ポンプ４を起動してもよい。

また、外水配管３６の元栓３９の開閉を演算部３１で制御し、図３の水張りモード（ステップＳ１０１）において、最初に外水配管３６の元栓３９を開放することによって、貯湯タンク１４の水張りを自動的に行うように構成してもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、水張りを自動的に行うことができるので、手間を掛けずに水張りを行うことができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示す機能ブロック図、図５は図４の燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。図４において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示す。また、図５において、図２と同一符号は同一又は相当するステップを示す。

図４及び図５に示すように、本実施の形態は、水張りモードを開始するきっかけとなる動作が実施の形態１と異なっている。その他の点は実施の形態１と同様である。

すなわち、本実施の形態では、実施の形態１の水張りスイッチ５２が省略されている。本実施の形態では、燃料電池発電システムが設置されて、電源に接続するためのコード（図示せず）がコンセントに差し込まれると、制御装置２１の演算部３１は、電源スイッチ５１が初めてＯＮされるのを待機する（ステップＳ２０）。そして、電源スイッチ５１がＯＮされると、水張りモードの制御を行う（ステップＳ１０１）。なお、演算部３１は、この最初の電源スイッチのＯＮを記憶部３２に記憶させており、次回以降に電源スイッチ５１がＯＮされても水張りモードの制御を行わない。

このように構成された本実施の形態によれば、最初に電源スイッチ５１をＯＮするだけで自動的に水張りが行われるので、実施の形態１のように水張りスイッチ５２をＯＮする手間を省くことができる。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。図６において、図２と同一符号は同一又は相当するステップを示す。

図６に示すように、本実施の形態は、水張りモードを開始するきっかけとなる動作が実施の形態２と異なっている。その他の点は実施の形態２と同様である。

すなわち、本実施の形態の燃料電池発電システムのハードウエアは、実施の形態２（図４）と同じである。一方、燃料電池発電システムの制御において、演算部３１は、電源スイッチ５１がＯＮされると、運転スイッチ５３がＯＮされるのを待機する（ステップＳ３１）。そして、運転スイッチ５３がＯＮされると、水張りモードの制御を行う（ステップＳ１０１）。

そして、水張りモードが終了すると、実施の形態１で述べた運転モードの制御を行う（ステップＳ１０２）。

以上のように構成された本実施の形態によれば、運転スイッチ５３をＯＮするだけで自動的に水張りが行われるので、実施の形態１のように水張りスイッチ５２をＯＮする手間を省くことができる。

（実施の形態４）
図７は本発明の本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示す機能ブロック図、図８は図７の燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。図７において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示す。また、図８において、図２と同一符号は同一又は相当するステップを示す。

図７及び図８に示すように、本実施の形態は、水張りモードを開始するきっかけとなる動作が実施の形態１と異なっている。その他の点は実施の形態１と同様である。

すなわち、本実施の形態では、実施の形態１の水張りスイッチ５２が省略され、代わりに、表示装置５４と、情報入力手段５５とが配設されている。情報入力手段５５は、キーボード、マウス等の公知の情報入力器具で構成され、情報をデータ信号に変換して演算部３１に入力する。表示装置５４は液晶パネル等の表示ユニットで構成され、演算部３１から出力される表示信号に従って表示を行う。

本実施の形態では、電源スイッチがＯＮされた後、演算部３１は、運転スイッチ５３のＯＮを待機する（ステップＳ３１）。

そして、運転スイッチ５３がＯＮされると、水張りの要否を表示装置５４に表示させる（ステップＳ４１）。

次いで、演算部３１は、水張りの要否が入力されるのを待機する（ステップＳ４２）。この入力は、例えば、周知の手法により、演算部３１が表示装置５４の表示画面に水張りの「要」及び「否」の入力ボタンを表示し、使用者が情報入力手段５５を操作して表示画面においてカーソルを移動させ、「要」又は「否」の入力ボタンをクリックすることによって行われる。

そして、水張りの要否が入力されると、演算部３１は、その入力が「要」であるか否か判定する（ステップＳ４３）。

入力が「否」であると、演算部３１は、運転を開始させる（ステップＳ１０２）。

一方、入力が「要」であると、演算部３１は、水張りモードの制御を行い（ステップＳ１０１）、その後、運転を開始させる（ステップＳ１０２）。
以上のように構成された本実施の形態によれば、使用者の意向を確認した上でその意思に従って水張りモードを行うことができる。

（実施の形態５）
図９は本発明の本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示す機能ブロック図、図１０は図９の燃料電池発電システムにおける水張りモードに関する制御プログラムの概要を示すフローチャートである。図９において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示す。また、図１０において、図２と同一符号は同一又は相当するステップを示す。

本実施の形態では、燃料電池の運転履歴に基づいて水張りモードが行われる点が実施の形態１と異なっている。その他の点は実施の形態１と同様である。以下、実施の形態１との相違点を具体的に説明する。

図９に示すように、本実施の形態では、実施の形態１の水張りスイッチ５２が省略されている。また、制御装置２１は時計３８を備えている。この時計３８は、ここでは、マイコンに内蔵されているクロックで構成されている。時計３８の出力は演算部３１に入力される。

次に、このように構成された燃料電池発電システムの動作を説明する。

図９及び図１０において、本実施の形態では、燃料電池発電システムを設置した後、手動で水張りを行ったものと仮定する。
まず、演算部３１は、電源スイッチ５１のＯＮを待機する（ステップＳ２１）。

そして、電源スイッチ５１がＯＮされると、運転スイッチ５３のＯＮ及び電源スイッチ５１のＯＦＦのいずれかを待機する（ステップＳ２２，３０）。

そして、運転スイッチ５３がＯＮされると、演算部３１は、時計３８から現在時刻を取得する（ステップＳ２３）。

次いで、演算部３１は、運転履歴を記憶部３２から読み出して取得する（ステップＳ２４）。この運転履歴は、現在から過去に所定時間遡る期間における運転の停止時刻の記録からなっている。もちろん、この運転履歴を前回の停止時刻のみの記録で構成してもよい。

次いで、演算部３１は、現在時刻と運転履歴とを照合し、運転履歴中の最後の停止から現時刻までに、所定時間が経過しているか否か判定する（ステップＳ２５）。この所定時間としては、冷却水タンク８又は回収水タンク３の水が蒸発により水位が下限を下回るような時間が選択される。例えば、一般家庭の長期不在を考慮して、この所定時間の設定としては、150時間（一種間程度）とされる。

そして、所定時間が経過していると、水張りモードの制御を行い（ステップＳ１０１）、その後、運転モードの制御を行う（ステップＳ２６）。

一方、所定時間が経過していないと、直ちに運転モードの制御を行う（ステップＳ２６）。

次いで、演算部３１は、運転スイッチがＯＦＦされると、運転を停止させる（ステップＳ２７，２８）。

次いで、演算部３１は、時計３８から現在時刻を取得して、運転停止時刻を記憶部３２の運転履歴に書き込む（ステップＳ２９）。運転履歴が前回停止時刻のみの記録からなる場合には、前回停止時刻の上に今回停止時刻が上書きされる。

次いで、演算部３１は、ステップＳ２２，３０に戻り、運転スイッチ５３がＯＮされると、上述の制御を行い、電源スイッチ５１がＯＦＦされると、この制御を終了する（ステップＳ３０）。

以上のように、本実施の形態では、自動的に運転履歴に基づいて水張りが行われるので、水張りが必要か否かを人手によりチェックする必要がなくなり、その手間を省くことができる。また、運転の前に、自動的に必要に応じて水張りが行われるので、運転の安全性を確保することができる。

（実施の形態６）
図１１は本発明の本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムにおける水張りモードの制御プログラムの概要を示すフローチャートである。図１１において、図２と同一符号は同一又は相当する部分を示す。

図４に示すように、本実施の形態は、水張りモードを開始するきっかけとなる動作が実施の形態１と異なっている。その他の点は実施の形態１と同様である。

すなわち、電源スイッチがＯＮされると、演算部３１は、運転スイッチ５３のＯＮを待機する（ステップＳ３１）。

運転スイッチがＯＮされると、演算部３１は、第１，第２の水位検出器１２，１３のいずれかが下降しているか否か判定する。

第１，第２の水位検出器１２，１３のいずれかが下降していない場合には、演算部３１は、直ちに運転モードの制御を行う（ステップＳ１０２）。これは、水張りを行う必要がないからである。

一方、第１，第２の水位検出器１２，１３のいずれかが下降していると、水張りモードの制御を行い（ステップＳ１０１）、その後、運転モードの制御を行う（ステップＳ１０２）。

以上のように構成された本実施の形態によれば、自動的に運転履歴に基づいて水張りが行われるので、水張りが必要か否かを人手によりチェックする必要がなくなり、その手間を省くことができる。また、運転の前に、自動的に必要に応じて水張りが行われるので、運転の安全性を確保することができる。

なお、上記実施の形態１〜６では、燃料電池１として、高分子電解質型のものを挙げて説明したが、他のタイプの燃料電池であってもよい。

また、上記実施の形態１〜６では、燃料電池発電システムがコージェネレーションシステムである場合を説明したが、モノジェネレーションシステムにも本発明を同様に適用できる。

また、上記実施の形態１〜６では、燃料電池発電システムが燃料処理器を有する場合を説明したが、燃料処理器を有しない場合にも本発明を同様に適用できる。

また、実施の形態２において、電源電力の供給を検出する電源電力供給検出手段を設け、演算部３１が、電源スイッチ５１の初回ＯＮではなく、この電源電力供給検出手段から電源電力の供給の検出信号を受けたとき、水張りモード（ステップＳ１０１）の制御を行うように構成してもよい。

また、上記実施の形態１〜５において、空気抜き弁２４に代えて、例えば電磁弁を用いてもよい。この場合、電磁弁を開放した状態で水を張り、電磁弁から流出する流体が空気から水に変わるタイミングを適宜検出又は予測して、そのタイミングで電磁弁を閉じるようにすればよい。

１ 燃料電池
２ 水回収器
３ 回収水タンク
３ａ 通気孔
４ 冷却水循環ポンプ
５ 熱交換器
６ バイパス
７ 混合弁
８ 冷却水タンク
８ａ 通気孔
９ 冷却水循環流路
９ａ 往路
９ｂ 復路
１０ 開閉弁
１１ 冷却水供給流路
１２ 第１の水位検出器
１３ 第２の水位検出器
１４ 貯湯タンク
２１ 制御装置
２２ 燃料処理器
２３ 燃焼器
２４ 空気抜き弁
２４ａ ケース
２４ｂ 導入管
２４ｃ 排出管
２５ フロート
２６ 弁体
２７ 弁座
２８ フィルタ
２９ 改質水供給ポンプ
３１ 演算部
３２ 記憶部
３３ 冷却水供給ポンプ
３４ 貯湯水循環ポンプ
３５ 貯湯水循環流路
３５ａ 往路
３６ 外水配管
３７ 給湯配管
３８ 時計
３９ 元栓
４１ 燃料ガス供給流路
４２ 燃料ガス排出流路
４３ 酸化剤ガス供給流路
４４ 酸化剤ガス排出流路
５１ 電源スイッチ
５２ 水張りスイッチ
５３ 運転スイッチ
５４ 表示装置
５５ 情報入力手段
６１ 外水供給流路
２０１ 反応ガス供給及び排出系統
２０２ 冷却系統
２０３ 熱利用系統

Claims (11)

1. 燃料と酸化剤とを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電に関連する水を貯留する水貯留器と、制御装置と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記水貯留器は、前記燃料電池の冷却水を貯留する冷却水貯留器、前記冷却水から熱交換により伝達された熱を利用する熱利用水を貯える熱利用水貯留器、及び前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料及び酸化剤の少なくともいずれかから回収された回収水を貯留する回収水貯留器を含み、
   前記燃料電池発電システムは、前記制御装置の制御によって空の前記冷却水貯留器、空の前記熱利用水貯留器、及び空の前記回収水貯留器を含む空の前記水貯留器を前記燃料電池発電システムの外部からの水で満たす水張りモードを有し、
   前記熱利用水貯留器がこれに前記燃料電池発電システムの外部から水を供給することが可能なように構成され、前記回収水貯留器がこれに前記熱利用水貯留器から熱利用水を供給可能に構成され、かつ前記冷却水貯留器がこれに前記回収水貯留器から回収水を供給可能に構成され、
   前記制御装置は、前記水張りモードにおいて、空の前記熱利用水貯留器に前記外部からの水を供給し、この供給する水によって空の前記熱利用水貯留器、空の前記回収水貯留器、及び空の前記冷却水貯留器を順次満たすよう前記燃料電池発電システムを制御する、燃料電池発電システム。
2. 前記熱利用水が前記熱利用水貯留器から出て前記冷却水と熱交換した後、該熱利用水貯留器に戻るように構成された熱利用水循環経路と、該熱利用水貯留器及び前記熱利用循環経路から空気を抜くための空気抜き手段とを有し、
   前記制御装置は、前記水張りモードにおいて、空の前記熱利用水貯留器及び空の前記熱利用循環経路を前記外部からの水で満たす際に前記空気抜き手段によって該熱利用水貯留器及び前記熱利用循環経路から空気を抜くよう燃料電池発電システムを制御する、請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 前記冷却水と前記熱利用水が熱交換する熱交換器と、前記熱利用水が前記熱利用水貯留器から出て前記冷却水と熱交換した後、該熱利用水貯留器に戻るように構成された熱利用水循環経路とを備え、前記水張りモードにおいて、前記熱交換器よりも上流の前記熱利用水循環経路より空の前記回収水タンクに水が張られる、請求項１記載の燃料電池発電システム。
4. 前記冷却水を前記燃料電池と前記冷却水貯留器とを含む循環経路を循環させる第１のポンプと、前記回収水貯留器から前記冷却水貯留器に前記回収水を供給する第２のポンプとを有し、
   前記制御装置は、前記水張りモードにおいて、前記第２のポンプの起動から所定時間経過後に前記第１のポンプを起動する、請求項１記載の燃料電池発電システム。
5. 前記水張りモードを開始するための水張り操作部を有し、
   前記制御装置は、前記水張り操作部が操作されると、前記水張りモードを開始するよう前記燃料電池発電システムを制御する、請求項１記載の燃料電池発電システム。
6. 前記水張り操作部として水張りスイッチを有し、
   前記制御装置は、前記水張りスイッチがＯＮされると、前記水張りモードを開始させる、請求項５記載の燃料電池発電システム。
7. 表示手段と情報入力手段とを有し、
   前記制御装置は前記表示手段に前記水張りモードの要否を表示させ、前記情報入力手段から水張りモードが必要である旨の情報が入力されると、前記水張りモードを開始させる、請求項５記載の燃料電池発電システム。
8. 前記燃料電池発電システムへの電源電力の供給を検出する電源電力供給検出手段を有し、
   前記制御装置は、前記電源電力の供給が検出されると、前記水張りモードを開始するよう前記燃料電池発電システムを制御する、請求項１記載の燃料電池発電システム。
9. 前記電源電力供給検出手段が前記燃料電池発電システムへの電源電力を供給及び遮断する電源スイッチであり、
   前記制御装置は、前記電源スイッチがＯＮされると、前記水張りモードを開始させる、請求項８記載の燃料電池発電システム。
10. 前記発電のための運転を開始するための発電操作部を有し、
    前記制御装置は、前記発電操作部が操作されると、前記水張りモードを開始するよう前記燃料電池発電システムを制御する、請求項１記載の燃料電池発電システム。
11. 前記制御装置は、前記水張りモード中には、前記発電のための運転を開始しないよう前記燃料電池発電システムを制御する、請求項１記載の燃料電池発電システム。

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