JP6907688B2 - 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。

従来、この種の燃料電池システムとしては、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電する燃料電池と、給水部を介して冷却水が供給される冷却水タンクと、燃料電池からの燃焼排ガスとの熱交換により凝縮された凝縮水を回収する凝縮水タンクと、冷却水タンクと凝縮水タンクとの間で水を循環させる循環ポンプを有する循環経路と、循環経路に設けられ水を浄化する水精製器（浄化器）と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、給水部を介して冷却水タンクに市水が供給された場合、冷却水タンクから凝縮水タンクに水を循環させ、水精製器を通してから冷却水タンクに戻すことで水を浄化する。また、冷却水タンクの容量を小さくすることで、燃料電池システムの設置時において必要な冷却水を速やかに供給して、燃料電池システムの試運転を短時間で開始できるものとなる。

特開２０１４−１３５１２５号公報

しかしながら、上述した燃料電池システムでは、冷却水タンクと凝縮水タンクの２つのタンクを備えると共に両タンク間で水を循環させる循環経路を設ける必要があるから、部品点数が増大しコストの増加を招いてしまう。また、上述したような水精製器は、一般にイオン交換樹脂の樹脂層を備え、その樹脂層を水が通過する際に水に含まれる不純物を除去して浄化するものである。そのようなイオン交換樹脂の樹脂層は、通過する水の通水速度が速いと劣化に偏りが生じ、イオン吸着効率が低下することになる。一方で、燃料電池システムが設置された場合などでは、設置者は冷却水タンクなどに速やかに水を供給するなどの準備を整えて速やかに試運転を開始するため、高速での通水が要望されることがある。また、燃料電池システムが設置される住居などにおいて居住者の入れ替わりが生じる場合、居住者が退去する際にタンク内の水を一旦排出し新たな居住者が入居する際に再度水を供給することがある。このように水を複数回供給する場合でも、十分に水を浄化できるように水精製器の精製能力を保つ必要がある。

本発明の燃料電池システムは、水精製器を通過して供給された水を水タンクに貯留するものにおいて、複数回の水の貯留を可能としつつ、短時間での水の貯留の要望に応えることを主目的とする。

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池システムは、水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、原燃料ガスを改質して前記改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスの生成に用いられる水を貯留する水タンクと、水源から給水弁を介して前記水タンクへ水を供給する給水ラインと、前記給水ラインに設けられ通水速度が速いほど偏った劣化が生じる水精製器と、前記水タンクへの給水回数を計測する回数計測手段と、前記水精製器を通って前記水タンクに供給される水の単位時間当りの給水量として、少なくとも２段階の給水量のうちのいずれかを前記水タンクへの給水回数に応じて設定し、設定した給水量で前記水タンクに水が供給されるよう前記給水弁を制御する制御装置と、を備えることを要旨とする。

本発明の燃料電池システムでは、水精製器を通って水タンクに供給される水の単位時間当りの給水量として、少なくとも２段階の給水量のうちのいずれかを水タンクへの給水回数に応じて設定し、設定した給水量で水タンクに水が供給されるよう給水弁を制御する。このため、比較的大きな単位時間当りの給水量を設定することで、短時間での水の貯留の要望に応えることができる。また、想定される複数の供給回数に対し、一部の供給回数のみに比較的大きな単位時間当りの給水量を設定し、残りの供給回数に比較的小さな単位時間当りの給水量を設定することができるから、水精製器に偏った劣化が生じるのを抑えて水の精製能力を維持しつつ複数回の水の貯留を可能とすることができる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記水タンクへの給水回数が１回目または２回目の場合には前記水精製器への水の通水速度が速くなる給水量を設定可能で、前記水タンクへの給水回数が３回目以降の場合には前記水精製器への水の通水速度が遅くなる給水量を設定するものとしてもよい。こうすれば、水タンクに１回目に水を貯留する場合と２回目に水を貯留する場合とにおいて、短時間での水の貯留を可能として速やかに燃料電池システムの運転（試運転）を開始可能とすることができる。水タンクへの水の貯留が１回目や２回目の場合は、燃料電池システムが設置された場合や燃料電池システムの実運用が開始される場合であり試運転が必要となることが多いから、短時間での水の貯留を可能として速やかに試運転を開始可能とする効果が顕著なものとなる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記水タンクへの給水回数が所定の上限回数を超えた以降は、前記水タンクへの給水を行わないものとしてもよい。こうすれば、水タンクへの給水回数が所定の上限回数を超えたために、水精製器の精製能力の低下によって十分に浄化されない水が水タンクに供給されるのを防止することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記水タンクに給水する度に単位時間当りの給水量が大きいほど大きくなる劣化値を累積しておき、累積した劣化値が所定値を超えた以降は、前記水タンクへの給水を行わないものとしてもよい。こうすれば、単位時間当りの給水量の影響による水精製器の精製能力の低下によって十分に浄化されない水が水タンクに供給されるのを防止することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、上限回数に達するまでの前記水タンクへの給水回数と給水回毎の単位時間当りの給水量との関係が予め定められた複数のパターンのうち使用者からの選択を受け付け、受け付けた前記パターンと前記水タンクへの給水回数とに基づいて単位時間当りの給水量を設定するものとしてもよい。こうすれば、短時間での水の貯留の要望により適切に応えることが可能となる。

燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。 自動給水装置７０の構成の概略を示す構成図である。 自動給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 通水速度とイオン吸着効率との関係を示す説明図である。 給水速度とデューティ比と劣化値ｍとの関係を示す説明図である。 水精製器７４のイオン交換樹脂の劣化が進行する様子を示す説明図である。 給水パターンの一例を示す説明図である。 変形例の自動給水制御ルーチンを示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は自動給水装置７０の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池スタックＦＣを有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置９０とを備える。

発電ユニット２０は、改質水と原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）との供給を受けてこれらを加熱することにより改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガスを予熱する気化器３２と、気化器３２からの原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して水素を含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器３３と、改質器３３から供給される改質ガスとエアとにより発電する燃料電池スタックＦＣとを含む発電モジュール３０と、気化器３２に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置４０と、燃料電池スタックＦＣにエアを供給するエア供給装置５０と、改質水タンク５７内の改質水を気化器３２に供給する改質水供給装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、改質水タンク５７に必要な水を供給するための自動給水装置７０とを備える。

気化器３２と改質器３３と燃料電池スタックＦＣは、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタックＦＣの起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３５が設けられている。燃焼部３５には燃料電池スタックＦＣを通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ３６により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタックＦＣや気化器３２、改質器３３を加熱する。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒３７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３５で燃え残った燃料ガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。

排熱回収装置６０は、発電モジュール３０から燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管６１を有する。循環配管６１には、循環ポンプ６３が設けられており、循環ポンプ６３を駆動することにより、熱交換器６２による貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク１０１へ貯湯する。熱交換器６２は凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されている。熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換により水蒸気成分が凝縮され、凝縮された水（凝縮水）が図示しない水精製器によって浄化されて改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガス（ガス成分）は、排気ガス排出管６７を介して外気へ排出される。

原燃料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原燃料ガス供給管４１を有する。原燃料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原燃料ガス供給弁（２連弁）４２，４３、オリフィス４４、原燃料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原燃料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原燃料ガスポンプ４５を駆動することにより、ガス供給源１からの原燃料ガスを脱硫器４６を通過させて気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原燃料ガスは、気化器３２を経て改質器３３へ供給され、改質ガス（燃料ガス）へと改質される。脱硫器４６は、原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を水素を用いて除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する高温脱硫方式などを採用することができる。また、原燃料ガス供給管４１の原燃料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、当該原料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原燃料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池スタックＦＣとを接続するエア供給管５１を有する。エア供給管５１には、エアブロワ５３が設けられており、エアブロワ５３を駆動することにより、フィルタ５２を介して吸入したエアを燃料電池スタックＦＣへ供給する。また、エア供給管５１には、エアブロワ５３の下流側に、当該エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５４が設けられている。

改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給管５６を有する。改質水供給管５６には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質ポンプ５８を駆動することにより、改質水タンク５７の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。改質水タンク５７には、図２に示すように、タンク内の改質水の水位が所定水位（満水位近傍）に到達したことを検出するための水位センサ５９が設けられている。なお、水位センサ５９は、例えば、水位の上昇に伴ってフロートが上昇し、水位が所定水位に達すると、接点がオンからオフまたはオフからオンするフロート式水位センサを用いることができる。

自動給水装置７０は、図１，図２に示すように、水源（水道配管）と改質水タンク５７とを接続する給水管７１を有する。給水管７１には、水源側から順に、給水弁（電磁弁）７２、逆止弁７３、水精製器７４が設けられており、給水弁７２を開弁することにより、水源からの水道水を水精製器７４を介して改質水タンク５７へ供給する。給水弁７２は、本実施形態では、ノーマルクローズ型の２ポート２ポジション弁であり、１周期に対する開弁時間の割合（デューティ比）を調整することにより、給水管７１へ供給する水の流量を調整することができる。水精製器７４は、水精製材としてイオン交換樹脂を収容しており、上方から流入した水がイオン交換樹脂の樹脂層を通過して下方へ流出することにより、水に含まれる不純物をイオン交換樹脂で吸着除去して純水化する。

燃料電池スタックＦＣは、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものとして構成されており、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタックＦＣの出力端子にはＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを含むパワーコンディショナ８１を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されており、燃料電池スタックＦＣからの直流電力は、パワーコンディショナ８１による電圧変換および直流／交流変換を経て商用電源２からの交流電力に付加されて負荷４に供給される。パワーコンディショナ８１から分岐した電力ラインには電源基板８２が接続されている。電源基板８２は、原燃料ガス供給弁４２，４３や原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、給水弁７２、水位センサ５９、可燃ガスセンサ８６、圧力センサ４７、流量センサ４８，５４などの補機類に直流電力を供給する直流電源として機能する。

筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられている。吸気口２２ａ付近には外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられ、排気口２２ｂ付近には可燃ガスのガス漏れを検出するための可燃ガスセンサ８６が設けられている。

制御装置９０は、ＣＰＵ９１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ９１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ９２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ９３と、計時を行なうタイマ９４と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置９０には、圧力センサ４７や流量センサ４８，５４、水位センサ５９、可燃ガスセンサ８６などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置９０からは、換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原燃料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、給水弁７２のソレノイドへの駆動信号、パワーコンディショナ８１のインバータやＤＣ／ＤＣコンバータへの制御信号、点火ヒータ３６への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル８５への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作、特に、自動給水装置７０に関連する動作について説明する。図４は制御装置９０のＣＰＵ９１により実行される自動給水制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、燃料電池システム１０の電源が投入されて改質水タンク５７に自動給水する準備が整った際に、水位センサ５９からの検出信号に基づいて改質水タンク５７に水が貯留していないことが検知された場合に実行される。

自動給水制御ルーチンが実行されると、制御装置９０のＣＰＵ９１は、まず、ＲＡＭ９３から給水回数Ｋと累積劣化値Ｍとを読み出して取得する（Ｓ１００）。ここで、給水回数Ｋは、今回の自動給水制御ルーチンにて改質水タンク５７への自動給水が行われる回数が何回目であるかを示しており、初期値は値１である。この給水回数Ｋは、後述する処理で更新されてＲＡＭ９３に記憶される。また、累積劣化値Ｍは、自動給水する際の単位時間当りの給水量に応じて予め定められた劣化値ｍを累積した値であり、初期値は値０である。この累積劣化値Ｍは、後述する処理で更新されてＲＡＭ９３に記憶される。

次に、ＣＰＵ９１は、給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘ以下であるか否かを判定する（Ｓ１１０）。ここで、水精製器７４は、水に含まれる不純物をイオン交換樹脂で吸着除去して純水化するものであり、水精製材として収容するイオン交換樹脂の種類や量などによって、必要なイオン吸着効率（水精製能力）を発揮できる水の総通過量や通過可能な水の通水速度などが定められる。上限回数Ｋは、そのような水の総通過量と改質水タンク５７の満水量とに基づいて予め定められた給水回数の上限値であり、本実施形態では、上限回数Ｋを値４（４回）とする。ＣＰＵ９１は、Ｓ１１０で給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘ以下でなく上限回数Ｋｍａｘを超えると判定すると、水精製器７４のイオン交換樹脂が必要なイオン吸着効率を発揮できないために、自動給水不可の旨を表示パネル８５に表示するなどによりエラー（システムエラー）を報知して（Ｓ１２０）、本ルーチンを終了する。

一方、ＣＰＵ９１は、Ｓ１１０で給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘ以下であると判定すると、給水回数Ｋが許容回数Ｋｒｅｆ以下であるか否かを判定する（Ｓ１３０）。許容回数Ｋｒｅｆは、改質水タンク５７に自動給水する際に、水精製器７４のイオン交換樹脂の劣化（劣化の偏り）を考慮して高速での水の通水（給水）を許容する上限の回数として予め定められている。図４は、通水速度とイオン吸着効率との関係を示す説明図である。図示するように、通水速度が高速の場合には、低速の場合に比してイオン吸着効率が低下する傾向にある。なお、改質水タンク５７へ供給される水の単位時間当りの給水量が大きくなって給水速度が高速となる（高速給水となる）ほど、水精製器７４における水の通水速度が高速となる。このため、高速給水による自動給水が繰り返されると、給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘの範囲内であってもイオン交換樹脂の劣化に偏りが生じて水精製器７４が十分に水精製能力を発揮できないおそれがある。一方で、燃料電池システム１０を起動して空の改質水タンク５７が満水となるなどの運転条件が整うと通常は燃料電池システム１０の試運転が行われるから、試運転の早期開始を望む作業者は、改質水タンク５７ができるだけ短時間で満水となるように高速給水を要望することになる。特に、改質水タンク５７への初回（１回目）の自動給水が行われた場合には、殆どの場合で試運転が行われるため、そのような要望が強いものとなる。また、燃料電池システム１０の設置から、燃料電池システム１０が設置された住居への入居までの期間が長期間に亘る場合などには、初回の試運転後に一旦改質水タンク５７から水を抜き、入居時に再度改質水タンク５７に２回目の自動給水が行われて試運転が行われることがあるため、そのような要望が出ることがある。このように、試運転を早期に開始する要望は、給水回数Ｋが比較的少ない場合（１回目や２回目の自動給水の場合）に多いものとなる。そこで、本実施形態では、給水回数Ｋが許容回数Ｋｒｅｆとなるまで高速給水を許容するものとし、一例として許容回数Ｋｒｅｆを値２（２回）とする。

ＣＰＵ９１は、Ｓ１３０で給水回数Ｋが許容回数Ｋｒｅｆ以下であると判定すると、表示パネル８５に高速給水と低速給水のいずれかを作業者により選択可能に受け付ける選択受付画面を表示して（Ｓ１４０）、高速給水が選択されたか否かを判定する（Ｓ１５０）。ＣＰＵ９１は、Ｓ１５０で高速給水が選択されたと判定すると、高速給水用の第１デューティ比Ｄ１で給水弁７２のオンオフ駆動を行い（Ｓ１６０）、水位センサ５９がオンされる（改質水タンク５７の水位が所定水位（満水位近傍）に到達する）のを待つ（Ｓ１７０）。一方、ＣＰＵ９１は、Ｓ１５０で高速給水ではなく低速給水が選択されたと判定すると、低速給水用の第２デューティ比Ｄ２で給水弁７２のオンオフ駆動を行い（Ｓ２００）、水位センサ５９がオンされるのを待つ（Ｓ２１０）。このように、給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘ以下であり且つ許容回数Ｋｒｅｆ以下の場合には、高速給水と低速給水とのいずれかを選択可能とするのである。

図５は給水速度とデューティ比と劣化値ｍとの関係を示す説明図である。図示するように、単位時間当りの給水量の大きな高速給水（高速通水）用の第１デューティ比Ｄ１は、ＯＮ時間とＯＦＦ時間との比率を３：１とするものである。また、単位時間当りの給水量の小さな低速給水（低速通水）用の第２デューティ比Ｄ２は、ＯＮ時間とＯＦＦ時間との比率を１：１とするものであり、ＯＮ時間の割合が第１デューティＤ１よりも小さなものとなる。また、本実施形態では、高速給水での劣化値ｍｈを値３、低速給水での劣化値ｍｌを値１とする。累積劣化値Ｍは、劣化値ｍｈや劣化値ｍｌを累積した値である。

第１デューティ比Ｄ１で給水弁７２を駆動している場合に、Ｓ１７０で水位センサ５９がオンされたと判定すると、ＣＰＵ９１は給水弁７２の駆動を停止して給水弁７２を閉弁する（Ｓ１８０）。そして、ＣＰＵ９１は、給水回数Ｋを値１インクリメントすると共に累積劣化値Ｍを劣化値ｍｈの値３インクリメントすることで給水回数Ｋと累積劣化値Ｍとを更新して（Ｓ１９０）、本ルーチンを終了する。一方、第２デューティ比Ｄ２で給水弁７２を駆動している場合に、Ｓ２１０で水位センサ５９がオンされたと判定すると、ＣＰＵ９１は給水弁７２の駆動を停止して給水弁７２を閉弁する（Ｓ２２０）。そして、ＣＰＵ９１は、給水回数Ｋを値１インクリメントすると共に累積劣化値Ｍを劣化値ｍｌの値１インクリメントすることで給水回数Ｋと累積劣化値Ｍとを更新して（Ｓ２３０）、本ルーチンを終了する。なお、Ｓ１９０，Ｓ２３０で更新された給水回数Ｋと累積劣化値Ｍは、上述したようにＲＡＭ９３に記憶される。また、Ｓ１８０，２２０では、ＣＰＵ９１は水位センサ５９のオンから所定時間が経過するのを待って給水弁７２の駆動を停止してもよい。

また、ＣＰＵ９１は、Ｓ１３０で給水回数Ｋが許容回数Ｋｒｅｆを超えると判定すると、累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ未満であるか否かを判定する（Ｓ２４０）。ここで、所定累積値Ｍｒｅｆは、高速給水での劣化値ｍｈに、許容回数Ｋｒｅｆを乗じた値（ｍｈ・Ｋｒｅｆ）などとすることができる。本実施形態では、劣化値ｍｈを値３とし許容回数Ｋｒｅｆを値２（２回）としており、所定累積値Ｍｒｅｆとしての値（ｍｈ・Ｋｒｅｆ）は例えば値６となるから、Ｓ２４０では累積劣化値Ｍが値６未満であるか否かを判定することになる。ＣＰＵ９１は、累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ以上であると判定すると、Ｓ１２０で自動給水不可のエラーを報知して本ルーチンを終了する。ここで、給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘ以下であり且つ許容回数Ｋｒｅｆ以下でない場合は、給水回数Ｋが許容回数Ｋｒｅｆを超えて上限回数Ｋｍａｘとなるまでの間であり、例えば給水回数Ｋが３回目の場合である。その場合に累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ（例えば値６）以上となるのは、１回目と２回目の自動給水でいずれも高速給水を行った場合が該当する。このように、許容回数Ｋｒｅｆ以下の各給水回において、いずれも高速給水を行った場合には、それ以降（ここでは３回目以降）の自動給水を不可とするのである。

一方、ＣＰＵ９１は、Ｓ２４０で累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ未満であると判定すると、低速給水で改質水タンク５７に自動給水して給水回数Ｋを値１インクリメントすると共に累積劣化値Ｍを値１インクリメントするＳ２００〜Ｓ２３０の処理を行って、本ルーチンを終了する。このように、給水回数Ｋが許容回数Ｋｒｅｆを超えて上限回数Ｋｍａｘとなるまでの間は、低速給水で改質水タンク５７への自動給水を行うのである。

ここで、図６は水精製器７４のイオン交換樹脂の劣化が進行する様子を示す説明図であり、図７は給水パターンの一例を示す説明図である。図６では、自動給水（通水）を行うことにより劣化が進行するイオン交換樹脂の範囲のイメージを示しており、高速給水による劣化の範囲を実線で示し、低速給水による劣化の範囲を点線で示す。高速給水では低速給水に比して、上方から水精製器７４内に入った水が下方に勢いよく通過するため中央近傍のイオン交換樹脂がより劣化し易いことになる。このため、図示するように、高速給水では劣化が中央部に偏って現れて劣化の範囲が下方に凸状となり、低速給水では劣化の偏りが少なく周囲に満遍なく現れるものとなる。図６（ａ）は１回目と２回目の自動給水をいずれも高速給水で行う給水パターンＰ１（図７参照）の場合のイメージを示す。図示するように、給水パターンＰ１では、２回の高速給水によって中央近傍のイオン交換樹脂の劣化が著しく進行することになる。本実施形態では、１回目と２回目の自動給水を高速給水で行った場合には、上述したように累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ以上となってそれ以降の自動給水を不可とするから、十分に精製されない水が改質水タンク５７に給水されるのを防止することができる。また、１回目と２回目の自動給水のいずれも短時間で改質水タンク５７に水を貯留させて試運転を早期に開始することができる。図６（ｂ）は１回目または２回目の自動給水のいずれかを高速給水で行い、それ以外の３回分の自動給水を低速給水で行う給水パターンＰ２，Ｐ３（図７参照）の場合のイメージを示す。図示するように、１回分の自動給水が高速給水で行われることで中央近傍のイオン交換樹脂の劣化が偏って進行するが、それ以外の３回分の自動給水が低速給水で行われて劣化が満遍なく進行するため、上限の４回分の自動給水での劣化の範囲を水精製器７４の水精製能力内に収めることができるものとなる。また、１回目または２回目の自動給水のいずれかで短時間で改質水タンク５７に水を貯留させて試運転を早期に開始することができる。図６（ｃ）は１回目から４回目の自動給水のいずれも低速給水で行う給水パターンＰ４（図７参照）の場合のイメージを示しており、劣化の範囲を最小限に収めることができる。

以上説明した燃料電池システム１０は、水精製器７４を通過して改質水タンク５７に供給される水の給水速度（通水速度）として高低の２段階の給水速度のいずれかを給水回数Ｋに応じて設定し、設定した給水速度で改質水タンク５７に水が供給されるよう給水弁７２を制御する。このため、２段階の給水速度のうち高速給水を設定することで、改質水タンク５７に短時間で水を貯留することができる。また、複数回の供給回数Ｋに応じて水の給水速度を設定することで、一部の供給回数Ｋのみで高速給水を設定し、残りの供給回数Ｋで低速給水を設定することができるから、水精製器７４の水精製能力を維持して複数回の水の貯留を可能としつつ、短時間での水の貯留の要望に応えることができる。

また、燃料電池システム１０は、給水回数Ｋが許容回数Ｋｒｅｆの２回目となるまで高速給水を設定可能であるから、改質水タンク５７への１回目と２回目の自動給水の場合に短時間での水の貯留を可能とすることができる。改質水タンク５７への１回目や２回目の自動給水は、燃料電池システム１０が設置された場合や燃料電池システム１０が設置された住居に居住者が入居した場合に行われることが多いから、短時間での貯留を可能とすることで設置後の試運転や実運転前の試運転を速やかに開始することができる。

また、燃料電池システム１０は、改質水タンク５７への給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘを超えた以降は、改質水タンク５７への自動給水を行わないから、給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘを超えたために水精製器７４の精製能力の低下によって十分に浄化されない水が改質水タンク５７に供給されるのを防止することができる。

また、燃料電池システム１０は、給水速度（通水速度）が速いほど大きくなる値の劣化値ｍを累積した累積劣化値Ｍを改質水タンク５７への自動給水の度に更新し、累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ以上となった以降は、改質水タンク５７への自動給水を行わないから、高速給水の影響により水精製器７４の精製能力の低下によって十分に浄化されない水が改質水タンク５７に供給されるのを防止することができる。

上述した実施形態では、給水速度を高速と低速の２段階の速度から設定するものを例示したが、これに限られず、３段階以上の速度から設定するものとしてもよい。

実施形態では、高速給水を許容する許容回数Ｋｒｅｆを値２（２回目）としたが、これに限られず、値１（１回目）としてもよいし、水精製器７４の能力に応じてより大きな値（例えば、値３）などとしてもよい。また、このような許容回数Ｋｒｅｆを設定することなく、任意の給水回数において精製能力の範囲内で最も速い給水速度を設定可能としてもよい。例えば、累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ以上となるまで、高速給水を設定するものなどとしてもよい。

実施形態では、改質水タンク５７への給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘを超えた以降または累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ以上となった以降は改質水タンク５７への自動給水を行わないものとしたが、これに限られるものではない。例えば、給水回数Ｋの上限を定めることなく、累積劣化値Ｍが所定累積値Ｍｒｅｆ以上となった以降は改質水タンク５７への自動給水を行わないものとしてもよい。また、累積劣化値Ｍの上限を定めることなく、給水回数Ｋが上限回数Ｋｍａｘを超えた以降は改質水タンク５７への自動給水を行わないものとしてもよい。なお、所定累積値Ｍｒｅｆは、高速給水での劣化値ｍｈと許容回数Ｋｒｅｆとを乗じた値に定めるものを例示したが、これに限られず、劣化値ｍｈや許容回数Ｋｒｅｆに関連しない値に定めてもよい。また、給水回数Ｋや累積劣化値Ｍの上限を定めないものとしてもよいが、水精製器７４の精製能力の低下によって十分に浄化されない水が改質水タンク５７に供給されるのを防止するために、上限を定めるものが好ましい。

実施形態では、自動給水を行う度に給水回数Ｋに基づく給水速度（通水速度）を設定するものを例示したが、これに限られず、初回の自動給水時に給水回数Ｋと給水速度が予め定められた給水パターンを作業者などに選択させておき、以降の自動給水時にはその給水パターンと給水回数Ｋとに基づく給水速度を設定するものなどとしてもよい。図８は、変形例の自動給水制御ルーチンを示すフローチャートである。図８のフローチャートでは、図３のフローチャートと同じ処理には同じステップ番号を付して、その説明を省略する。変形例の自動給水制御ルーチンでは、累積劣化値Ｍを管理しないため、制御装置９０のＣＰＵ９１は、累積劣化値Ｍを取得することなく給水回数Ｋを取得する（Ｓ１００ａ）。そして、ＣＰＵ９１は、給水回数Ｋが値１（１回目）であるか否かを判定し（Ｓ１３０ａ）、１回目であると判定すると、給水パターンの選択受付画面を表示パネル８５に表示して作業者による給水パターンの選択を受け付ける（Ｓ１４０ａ）。選択受付画面の図示は省略するが、例えば図７に示した４つの給水パターンＰ１〜Ｐ４（給水回数Ｋと給水速度との関係）の説明といずれかの給水パターンを選択するための選択ボタンとが表示されるものなどとすることができる。ＣＰＵ９１は、作業者による給水パターンの選択を受け付けると、受け付けた給水パターンをＲＡＭ９３に登録する（Ｓ１４２）。

一方、ＣＰＵ９１は、Ｓ１３０ａで給水回数Ｋが値１（１回目）でないと判定すると、１回目の自動給水時にＲＡＭ９３に登録された給水パターンを読み出して給水パターンを取得し（Ｓ１４４）、給水パターンにおいて今回の給水回数Ｋに対応する給水速度があるか否かを判定する（Ｓ１４６）。例えば、ＣＰＵ９１は、給水パターンＰ１が登録（選択）されている場合、今回の給水回数Ｋが値２（２回目）であれば対応する給水速度があると判定し、今回の給水回数Ｋが値３（３回目）であれば対応する給水速度がないと判定する（図７参照）。ＣＰＵ９１は、Ｓ１４６で今回の給水回数Ｋに対応する給水速度がないと判定すると、Ｓ１２０で自動給水不可のエラーを報知して本ルーチンを終了する。ＣＰＵ９１は、Ｓ１４２で給水パターンをＲＡＭ９３に登録した場合やＳ１４６で給水パターンにおいて今回の給水回数Ｋに対応する給水速度があると判定した場合には、給水パターンと今回の給水回数Ｋとに基づいて給水速度を設定する（Ｓ１４８）。そして、ＣＰＵ９１は、設定した給水速度が高速給水であれば（Ｓ１５０でＹＥＳ）、高速給水で改質水タンク５７に自動給水して給水回数Ｋを値１インクリメントするＳ１６０〜Ｓ１９０ａの処理を行って、本ルーチンを終了する。また、ＣＰＵ９１は、設定した給水速度が低速給水であれば（Ｓ１５０でＮＯ）、低速給水で改質水タンク５７に自動給水して給水回数Ｋを値１インクリメントするＳ２００〜Ｓ２３０ａの処理を行って、本ルーチンを終了する。

このように、変形例の燃料電池システム１０では、改質水タンク５７への給水回数Ｋと給水速度との関係が予め定められた複数の給水パターン（Ｐ１〜Ｐ４）のいずれかの選択を受け付け、受け付けた給水パターンと給水回数Ｋとに基づいて給水速度を設定し、設定した給水速度で改質水タンク５７に水が供給されるよう給水弁７２を制御する。これにより、作業者（使用者）は、何回目の自動給水を高速給水で行うか、何回の自動給水を必要とするかなどを考慮して給水パターンを選択することができるから、複数回の水の貯留を可能としつつ短時間での水の貯留を作業者のニーズに合わせることができる。

本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。本実施形態では、燃料電池システム１０が「燃料電池システム」に相当し、改質器３３が「改質器」に相当し、改質水タンク５７が「水タンク」に相当し、給水弁７２が「給水弁」に相当し、給水管７１が「給水ライン」に相当し、水精製器７４が「水精製器」に相当し、制御装置９０が「制御装置」に相当する。

なお、本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、本実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、本実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１ ガス供給源、２ 商用電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電ユニット、２２ 筐体、２２ａ 吸気口、２２ｂ 排気口、２４ 換気ファン、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ 気化器、３３ 改質器、３５ 燃焼部、３６ 点火ヒータ、３７ 燃焼触媒、４０ 原燃料ガス供給装置、４１ 原燃料ガス供給管、４２，４３ 原燃料ガス供給弁、４４ オリフィス、４５ 原燃料ガスポンプ、４６ 脱硫器、４７ 圧力センサ、４８ 流量センサ、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ フィルタ、５３ エアブロワ、５４ 流量センサ、５５ 改質水供給装置、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、５９ 水位センサ、６０ 排熱回収装置、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６６ 凝縮水供給管、６７ 排気ガス排出管、７０ 自動給水装置、７１ 給水管、７２ 給水弁、７３ 逆止弁、７４ 水精製器、８１ パワーコンディショナ、８２ 電源基板、８５ 表示パネル、８６ 可燃ガスセンサ、９０ 制御装置、９１ ＣＰＵ、９２ ＲＯＭ、９３ ＲＡＭ、９４ タイマ、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、ＦＣ 燃料電池スタック。

Claims (5)

1. 水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   原燃料ガスを改質して前記改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスの生成に用いられる水を貯留する水タンクと、
   水源から給水弁を介して前記水タンクへ水を供給する給水ラインと、
   前記給水ラインに設けられ通水速度が速いほど偏った劣化が生じる水精製器と、
   前記水タンクへの給水回数を計測する回数計測手段と、
   前記水精製器を通って前記水タンクに供給される水の単位時間当りの給水量として、少なくとも２段階の給水量のうちのいずれかを前記水タンクへの給水回数に応じて設定し、設定した給水量で前記水タンクに水が供給されるよう前記給水弁を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記水タンクに給水する度に単位時間当りの給水量が大きいほど大きくなる劣化値を累積しておき、累積した劣化値が所定値を超えた以降は、前記水タンクへの給水を行わない
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記水タンクへの給水回数が１回目または２回目の場合には前記水精製器への水の通水速度が速くなる給水量を設定可能で、前記水タンクへの給水回数が３回目以降の場合には前記水精製器への水の通水速度が遅くなる給水量を設定する
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記水タンクへの給水回数が所定の上限回数を超えた以降は、前記水タンクへの給水を行わない
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、上限回数に達するまでの前記水タンクへの給水回数と給水回毎の単位時間当りの給水量との関係が予め定められた複数のパターンのうち使用者からの選択を受け付け、受け付けた前記パターンと前記水タンクへの給水回数とに基づいて単位時間当りの給水量を設定する
   燃料電池システム。
5. 水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   原燃料ガスを改質して前記改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスの生成に用いられる水を貯留する水タンクと、
   水源から給水弁を介して前記水タンクへ水を供給する給水ラインと、
   前記給水ラインに設けられ通水速度が速いほど偏った劣化が生じる水精製器と、
   前記水タンクへの給水回数を計測する回数計測手段と、
   前記水精製器を通って前記水タンクに供給される水の単位時間当りの給水量として、少なくとも２段階の給水量のうちのいずれかを前記水タンクへの給水回数に応じて設定し、設定した給水量で前記水タンクに水が供給されるよう前記給水弁を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、上限回数に達するまでの前記水タンクへの給水回数と給水回毎の単位時間当りの給水量との関係が予め定められた複数のパターンのうち使用者からの選択を受け付け、受け付けた前記パターンと前記水タンクへの給水回数とに基づいて単位時間当りの給水量を設定する
   燃料電池システム。

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