JP7007468B2 - 燃料電池装置、制御装置および制御プログラム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池装置、制御装置および制御プログラムに関する。

収納容器内に、水素含有ガスである燃料ガスと、酸素含有ガスである空気とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池モジュールが知られている。また、該燃料電池モジュールおよびその動作に必要な補機類を外装ケース等の筐体に収容した燃料電池装置が、種々提案されている。

このような燃料電池装置においては、発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させ、燃焼後の排ガスを熱交換器等に通して冷却する。この熱交換時に、前記排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生成される凝縮水を、イオン交換樹脂（以下、凝縮水用イオン交換樹脂という）により浄化処理して改質水タンク等の水タンクに貯留する。そして、貯留された水を、天然ガス等の原燃料を水蒸気改質する改質器に改質水として供給する、いわゆる水自立運転が行われている。

このような、凝縮水を改質水として利用した燃料電池の運転および制御に関し、特許文献１には、前述の凝縮水を貯留する水タンクの水位が低下し水量が不足する場合、この水タンクに、水道水等の外部の水を、外部水浄化処理用のイオン交換樹脂（以下、補水用イオン交換樹脂という）を経由して浄化してから給水（以下「補水」）する燃料電池装置が、開示されている。

特開２００８－１５９４６１号公報

本開示の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池より排出される排ガスから回収した水を貯留する第１タンクと、前記第１タンクに外部から水を補給する補水装置と、外部から補給される水を浄化する浄化装置と、該浄化装置の破過を検知する破過検知装置と、前記燃料電池の発電運転を制御する制御装置と、を備える。
前記制御装置は、
前記補水装置により前記第１タンクに外部の水を補給する補水制御と、
前記破過検知装置により前記浄化装置の破過を検知する破過検知制御と、
メンテナンスが必要となる異常が発生した場合に燃料電池の発電運転を停止する異常停止制御と、
前記破過検知制御により、前記補水制御の実行中に前記浄化装置の破過が検知された場合、前記浄化装置の破過の異常を原因とする前記異常停止制御を実行せずに、前記補水制御の実行を停止する、破過対処制御と、を実行可能である。

また、本開示の制御装置は、燃料電池を備える燃料電池装置を制御する制御装置であって、前記燃料電池は、浄化装置と、破過検知装置と、を備え、前記燃料電池装置内に外部の水を補給する補水制御と、前記破過検知装置により前記浄化装置の破過を検知する破過検知制御と、を含む。
前記制御装置は、運転の停止が必要となる事象が発生した場合に燃料電池の発電運転を停止する異常停止制御と、前記浄化装置に破過が発生した場合に前記補水制御の実行を停止する破過対処制御と、を選択的に実行可能である。
該制御装置は、前記補水制御の実行中に、前記浄化装置の破過が発生した場合、前記異常停止制御の実行に代えて、前記破過対処制御を実行する。

また、本開示の制御プログラムは、燃料電池を備える燃料電池装置を制御する制御装置に、
燃料電池装置内に外部の水を補給する補水制御ステップと、
破過検知装置により浄化装置の破過を検知する破過検知制御ステップと、
運転の停止が必要となる事象を検知した場合に燃料電池の発電運転を停止する異常停止制御ステップと、
前記浄化装置の破過を検知した場合に前記補水制御の実行を停止する破過対処制御ステップと、を実行させる制御プログラムである。
前記制御装置は、前記補水制御ステップの実行中に、前記破過検知制御ステップにおいて浄化装置の破過を検知した場合、前記異常停止制御ステップの実行に代えて、実行中の前記補水制御ステップを停止して、前記破過対処制御ステップを実行する。

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。 図１のＦ部分を拡大した、燃料電池装置の改質水タンク周辺の説明図である。 燃料電池装置の外観斜視図である。 実施形態の燃料電池装置における補水制御開始前の制御フローを示すフロー図である。 実施形態の燃料電池装置における補水制御開始後の制御フローを示すフロー図である。

以下、図面を用いて実施形態の燃料電池装置について説明する。
図１，図２および図３は、実施形態の燃料電池装置の概略構成を説明する図である。なお、図２は、図１のＦ部を拡大して示す、改質水タンク周りの概略構成である。

実施形態の燃料電池装置１００は、天然ガス，ＬＰガス等の原燃料と空気とを使用して発電を行なう燃料電池モジュール１の稼動による電力供給と、熱交換器３、ラジエータ、熱媒循環ポンプＰ２および蓄熱タンク等からなる排熱回収システムを備える。なお、排熱回収システムは、図中に符号ＨＳ（ヒートサイクル）で表示されている。また、燃料電池装置１００は、温水の供給を行なわない、いわゆるモノジェネレーションシステムとしてもよい。

また、燃料電池装置１００は、前述の燃料電池モジュール１等の他、補機として、改質水タンク６、パワーコンディショナ２０、制御装置３０、記憶装置４０、表示装置５０等を備えている。さらに、燃料電池装置１００は、改質水ポンプＰ１を含む改質水流路Ｒ、排水流路Ｄと、各種センサ類とを備えている。センサとしては、水位検出装置である、中水位に位置する水検知器ＷＬ_１および低水位に位置する水検知器ＷＬ_２と、補水の水質を測定するための水質測定装置である電気伝導率計ＷＣ_１と、を少なくとも備える。

燃料電池モジュール１は、収納容器１０に収容されている。内部に、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタック１１と、水蒸気を用いて原燃料の水蒸気改質を行う改質器１２と、余剰の燃料ガスに点火するための着火ヒータ（図示省略）、および、触媒容器２に充填された排ガス触媒等を備える。そして、燃料電池モジュール１は、図３に示すように、各フレーム５１と外装パネル（図示省略）とからなるケース５０の中に配設されている。

なお、図３では図示していないが、ケース５０内には、図１に例示するような、天然ガス等の原燃料を改質器に送給するガスポンプＢ１、外気または空気等の酸素含有ガスをセルスタックに送給する空気ブロワＢ２、改質水タンク６内の改質水を、水蒸気改質用の原料水として改質器１２に供給する改質水ポンプＰ１、改質水タンク６内の余剰水を排出するための排水流路Ｄ等が、配設されている。

さらに、ケース５０内には、先に述べたような、系統電源と連係するパワーコンディショナ２０、装置全体をコントロールする制御基板を含む制御装置３０、記憶装置４０等、および燃料電池の運転を制御するために用いる各種センサ類も、配置される。

上述のような構成の燃料電池装置１００においては、燃料電池モジュール１に隣接して配置された熱交換器３で、燃料電池モジュール１より排出された排ガスと、熱交換器３内を流れる水等の熱媒または冷媒との間で熱交換が行われ、排ガスに含まれる水分が結露して凝縮水が生じる。

生じた凝縮水は、気液分離器等により分離され、凝縮水流路Ｃを経由して回収され、改質水タンク６に貯留される。なお、改質水タンク６は、本開示における第１タンクの一例である。

水分が取り除かれた排ガスは、排ガス流路Ｅを介して、燃料電池装置の外に排気される。また、改質水タンク６に貯水された改質水は、改質水流路Ｒおよび改質水ポンプＰ１を介して、燃料電池モジュール１内の改質器１２に供給され、改質水を用いた原燃料の水蒸気改質に利用される。

図２は、燃料電池装置１００の構成の中で、燃料電池の発電運転およびそれに用いられる改質水に関連する部分、すなわち図１の二点鎖線Ｆ内を拡大して示したものである。

凝縮水を浄化して貯留する改質水タンク６は、浄化処理用途の第１改質水タンク６１と、貯留用途の第２改質水タンク６２と、で構成される。なお、これら第１改質水タンク６１と第２改質水タンク６２との間は、下部の通水管６５で接続されて、連通している。

生成された改質水を貯留する第２改質水タンク６２の下部または底部には、改質水ポンプＰ１の吸引口に繋がる改質水導出口６２ａが設けられている。また、第２改質水タンク６２の上部側面には、排水流路Ｄに繋がる余剰水導出口６２ｂが設けられている。

第２改質水タンク６２の下部には、貯留された改質水の水位である上水面が、下限水位である渇水位に達したことを検出する水検知器ＷＬ_２が配設されている。

なお、図中の各センサの先端の黒点は、センサの配設位置またはプローブ等の先端の、検出位置を示すものである。また、上記の、低水位に位置する水検知器ＷＬ_２の検出位置が示す渇水位は、本開示における後記の異常停止制御が実行される基準となる、予め決められた所定水量、すなわち実施形態における下限水位を示す指標でもある。

凝縮水を回収および精製して改質水を作製する第１改質水タンク６１の中には、熱交換器３から回収された凝縮水を浄化処理するための凝縮水用イオン交換樹脂が充填された第１のイオン交換樹脂容器６３と、改質水の不足時に、外部から補給される水道水等（以下、外部水）を浄化するための補水用イオン交換樹脂が充填された第２のイオン交換樹脂容器６４とが、配設されている。

第１改質水タンク６１の所定の中間位置には、貯留された改質水の水位である上水面が、予め決められた設定水位である中水位まで低下したことを検出するための水検知器ＷＬ_１が配設されている。

そして、本実施形態の燃料電池装置１００においては、水タンクに外部から水を補給する水補給装置として、図２に示すように、改質水タンク６と、外部の水源である上水道（Ｗａｔｅｒｗｏｒｋｓ）等との間に、電磁開閉式の止水弁Ｖ_１を含む水補給流路Ｇが配設されている。

水補給流路Ｇの下流側の末端である端部は、第１改質水タンク６１の下部に設けられた外部水受水口６１ａに接続されている。外部水受水口６１ａから流入した外部水は、タンク内部に配設された延設管６１ｂを介して、第２のイオン交換樹脂容器６４の底部に設けられた外部水導入口６４ａから、第１改質水タンク６１内に導入される。

また、第２のイオン交換樹脂容器６４の中には、外部水の浄化のために、前述の補水用イオン交換樹脂が充填されている。外部水は、この補水用イオン交換樹脂を通過する間に、水道水等に含まれる不純物が除去され、導電率１μＳ／ｃｍ程度の脱イオン水、すなわち浄化された水である補水が、精製される。

なお、図中の電気伝導率計ＷＣ_１は、前述の補水用イオン交換樹脂が破過していないか否かを判定する、破過検知装置の一例である。電気伝導率計ＷＣ_１は、浄化処理された後の脱イオン水である補水の導電率を測定できるように、補水が滞留する、第２のイオン交換樹脂容器６４の上部に配設されている。

浄化処理された補水は、第２のイオン交換樹脂容器６４の上部側面に設けられた浄化水流出口６４ｂから流出して、第１改質水タンク６１内の貯水部に流下して、改質水として貯留される。

本実施形態の燃料電池装置１００においては、改質水タンク６内の改質水が不足する場合、上述した水道水などの外部水が、補水用イオン交換樹脂を介して浄化された後、補水として改質水タンク６内に導入される。補水が行われる条件および制御等については、後記で説明する。

そして、燃料電池装置１００は、以下に詳細に述べるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、少なくとも１つのプロセッサを含む制御装置３０を備える。

種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路として、または、複数の通信可能に接続された集積回路および／もしくはディスクリート回路として、実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術にしたがって実行されることが可能である。

１つの実施形態において、プロセッサは、たとえば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって１以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、１以上の回路またはユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続きまたは処理を実行するように構成された、ファームウェア、たとえばディスクリートロジックコンポーネントであってもよい。

種々の実施形態によれば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理部、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらのデバイスもしくは構成の任意の組み合わせ、または、他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせ、を含み、以下に説明される機能を実行してもよい。

制御装置３０は、記憶装置４０と、表示装置５０と、パワーコンディショナ２０と、燃料電池モジュール１と、ガスポンプＢ１等の原燃料供給装置と、空気ブロワＢ２等の酸素含有ガス供給装置と、改質水ポンプＰ１等の水供給用装置、止水弁Ｖ_１を含む水補給流路Ｇ等の水補給装置、および、中水位の水検知器ＷＬ_１，低水位の水検知器ＷＬ_２等の水位検出装置、電気伝導率計ＷＣ_１等の水質測定装置などの各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。

制御装置３０は、記憶装置４０に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部にかかる、種々の機能を実現する。また、表示装置５０は、制御装置３０からの指示信号に基づいて、指定された必要な情報および警報または警告等を、可視化する。なお、表示装置５０は、警報または警告等を音で知らせるための発音機能を備えていてもよい。

制御装置３０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置３０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置３０が行う本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。なお、本実施形態において、制御装置３０は特に、先に述べた外部水の、改質水貯留部への補水を制御する。また、図では、制御装置３０および記憶装置４０、表示装置５０と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。

記憶装置４０は、プログラムおよびデータを記憶できる。記憶装置４０は、処理結果を一時的に記憶する作業領域としても利用してもよい。記憶装置４０は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、および磁気記憶媒体等の任意の非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）な記憶媒体を含んでよい。また、記憶装置４０は、複数の種類の記憶媒体を含んでいてもよい。

記憶装置４０は、メモリカード、光ディスク、または光磁気ディスク等の可搬の記憶媒体と、記憶の読み取り装置との組合せを含んでいてもよい。記憶装置４０は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでいてもよい。

つぎに、上記構成の燃料電池装置による、改質水が不足する場合の補水制御は、以下のように行われる。なお、以下の説明は、図４Ａ，図４Ｂのフローチャートにもとづいて行う。また、フローチャートにおける各ステップを「Ｓ」と省略して呼称する。たとえば、ステップ１，ステップ２・・・は、それぞれ、〔Ｓ１〕，〔Ｓ２〕・・・と称する。図中も同じである。

燃料電池装置の制御装置３０は、システムに異常を感知していない通常時または正常時には、第１タンクである改質水タンク６の所定の中間位置に配設された水検知器ＷＬ_１が発信している水検出信号が途切れるまで、すなわち、第１所定水位である中水位の水検知器ＷＬ_１からの水検出信号が受信できなくなるまで、水検知信号の受信の有無を判断する〔Ｓ１〕のループ、すなわちフローチャートの〔Ｓ１〕における図示左側の「Ｙｅｓ」を繰り返しながら待機する。

上記〔Ｓ１〕のループ中に、中水位の水検知器ＷＬ_１が発信する水検出信号が受信されなくなった場合、すなわち、第１改質水タンク６１内に貯留された凝縮水の水位が、予め決められた第１所定水位を示す中水位を下回り、分岐判断が「Ｎｏ」となった場合、制御装置３０はまず、図４Ｂに示す補水制御〔Ｓ３〕を開始する前に、外部水が補給可能であるかどうかを判定する、破過判定制御〔Ｓ２〕を実行する。

破過判定制御〔Ｓ２〕は、コントローラシステムまたはコンピュータシステム等、記憶装置４０を含む制御装置３０内で単独で実行されるものであり、センサおよび計測器等は使用しない。すなわち、破過判定制御〔Ｓ２〕は、制御装置３０等を構成するプログラム等の中に予め設定された、補水用イオン交換樹脂の破過を示すコンピュータ・フラグ（以下、ＣＰフラグという）の値が、現在、「０（ゼロ）」であるか「１」であるかにより、現在より以前に、補水用イオン交換樹脂の破過が発生しているか否か、または、破過が発生した記録が残されていないか否か、を判定する。このＣＰフラグの設定と、ＣＰフラグが「１」の際に実行される場合のある異常停止制御〔Ｓ１２〕および破過発報制御〔Ｓ１４〕については、後記で説明する。

そして、破過判定制御〔Ｓ２〕において、現在、補水用イオン交換樹脂の破過を示すＣＰフラグの値が「０」であれば、現在以前に破過は発生しておらず、逆にＣＰフラグの値が「１」であれば、補水用イオン交換樹脂が破過していると、制御装置３０は判定する。

図４Ａの破過判定制御〔Ｓ２〕において、分岐判定が「Ｙｅｓ」、すなわち破過を示すＣＰフラグの値が「０」（Ｆｌａｇ＝０）である場合、制御装置３０は、図４Ｂに示す補水制御〔Ｓ３〕に移行する。

制御装置３０は、補水用イオン交換樹脂が破過していないことが確認されると、〔Ｓ３〕以降において、補水制御を開始する。補水制御は、中水位に位置する水検知器ＷＬ_１が水検知信号を出力するまで、止水弁Ｖ_１の開閉動作を繰り返すことで実行される。

まず、図４Ｂのフローチャートに示すように、〔Ｓ４〕として、外部水導入用の、水補給流路Ｇに配設された電磁開閉式の止水弁Ｖ_１を開けて、外部水である水道水を第２のイオン交換樹脂容器６４に導入し、補水を開始する。以降、外部水を「水道水」とする。

水道水を供給する補水は、第１時間（Ｔ１）の間行われ〔Ｓ５〕、第１時間Ｔ１経過後、電磁開閉式の止水弁Ｖ_１が、制御装置３０の指示により閉じられる〔Ｓ６〕。なお、第１時間Ｔ１とは、数秒から数十秒の時間であり、この例では、たとえば３．５秒である。

つぎに、制御装置３０は、〔Ｓ６〕において止水弁Ｖ_１を閉じた後、前述のように止水弁Ｖ_１が開いていた時間、すなわちこの例では第１時間Ｔ１を、記憶装置４０に記憶するとともに、既に記憶されている、以前の弁Ｖ_１の「開」時間と合計・積算して、累積値である累積開弁時間Ｖ_Ｔを算出し、記録する〔Ｓ７〕。なお、上記の制御装置３０による弁Ｖ_１の「開」時間の積算は、本実施形態における補水量積算装置の一例であり、この補水量の積算（演算）を、現有装置の組み合わせで実現した例である。補水量積算装置の構成はこの例に限定されず、後記のような他の構成としてもよい。

ついで、制御装置３０は、〔Ｓ８〕において、補水用イオン交換樹脂が、寿命もしくは使用限度を迎えていないか否かを、判定する。判定は、先に述べた、第１時間Ｔ１の積算値である累積開弁時間Ｖ_Ｔが、予め決められた第１値（Ｗ１）以下であるか否かを確認する、補水量確認制御として実行される。

仮に、前述の第１値Ｓ１が７２００秒（２時間）である場合、累積開弁時間Ｖ_Ｔが、分岐判断が「Ｙｅｓ」となる７２００秒以下であれば、制御装置３０は、補水用イオン交換樹脂はまだ寿命を迎えていないと判定し、つぎのステップである水量回復判定〔Ｓ９〕を行う。

また、〔Ｓ８〕において、累積開弁時間Ｖ_Ｔが、前述の第１値Ｗ１を超えるまたは上回る、分岐判断が「Ｎｏ」の場合、制御装置３０は、補水用イオン交換樹脂は寿命を迎えているおそれがあると判定し、〔Ｓ１７〕において、補水用イオン交換樹脂に破過が発生していないか否かを、脱イオン水の導電率を計測するように配設された第１の電気伝導率計ＷＣ_１を用いて確認する、導電率確認制御を実行する。この構成により、破過判定の信頼性を向上することができる。

上述のように、本フローチャートにおいては〔Ｓ７〕で止水弁Ｖ_１が開いている時間を累積し、その積算値Ｖ_Ｔを〔Ｓ８〕において第１値Ｗ１と比較し、第１値Ｗ１を超える場合に〔Ｓ１７〕を実行する。ただし、この〔Ｓ７〕と〔Ｓ８〕とからなる補水量確認制御は。省略または他の構成により代替することができる。省略した場合には、止水弁Ｖ_１を閉じるたびに、脱イオン水の導電率の確認を行ってもよい。

なお、図４Ｂに示すフローチャートの〔Ｓ１７〕において、破過の検知の基準となる脱イオン水の導電率の判定基準である第２値Ｗ２は、６０μｓに設定される。

そして、〔Ｓ１７〕において、第２のイオン交換樹脂容器６４上部に配設された第１の電気伝導率計ＷＣ_１が計測した、脱イオン水の導電率が、判定基準である６０μｓ以下「Ｙｅｓ」である場合、制御装置３０は、つぎのステップである水量回復判定〔Ｓ９〕に移行する。

なお、前述の〔Ｓ８〕補水量確認制御と〔１７〕導電率確認制御とは、本開示における破過検知制御の２つの判断条件を示すものである。これら〔Ｓ８〕補水量確認制御と〔１７〕導電率確認制御とは、どちらの確認を先に行ってもよく、その確認順序は、入れ替えることができる。また、上述の補水量確認制御における累積開弁時間Ｖ_Ｔが第１値Ｗ１を超え、かつ、導電率確認制御における第１の電気伝導率計ＷＣ_１が計測した脱イオン水の導電率が第２値Ｗ２を超える場合に、補水用イオン交換樹脂が破過したとの判定が行われる。

水量回復判定〔Ｓ９〕は、図４Ａ中の〔Ｓ１〕と同様、第１タンクである改質水タンク６の所定の中間位置に配設された水検知器ＷＬ_１を用いて、上記の外部水の補水操作により、改質水タンク６内の改質水の水位が、第１所定水位である中水位まで回復したか否かを、確認するステップである。

水量回復判定〔Ｓ９〕において、水検知器ＷＬ_１が水検出信号を発信しており、改質水タンク６内の改質水の水位が、第１所定水位である中水位まで回復したことが確認され、分岐判断が「Ｙｅｓ」であれば、制御装置３０は、補水制御を正常に終了〔Ｓ１０〕し、フローの最初であるスタート〔Ｓ０〕へ戻る。

なお、前記の補水制御を終了〔Ｓ１０〕した後、発電運転を中止し、所定時間待機した後、再度発電運転を開始してもよい。当該制御はメンテナンスを経ずに再起動するため、本開示の異常停止制御には該当しない。

逆に、水量回復判定〔Ｓ９〕において、水検知器ＷＬ_１が水検出信号を発信しておらず、改質水タンク６内の改質水の水位が、第１所定水位である中水位まで回復していない、分岐判断が「Ｎｏ」である場合、制御装置３０は、補水用水補給流路Ｇに配設された電磁開閉式の止水弁Ｖ_１を閉めた状態で、第２時間（Ｔ２）の間待機〔Ｓ１６〕する。

その後、〔Ｓ４〕に戻り、当該止水弁Ｖ_１を開けて、水道水を第２のイオン交換樹脂容器６４に導入する補水操作を、再度行う。なお、以上のような補水制御は、フローチャート上でループするよう、複数回繰返してもよい。

第２時間Ｔ２とは、数秒から数十秒の時間であり、この例では、たとえば１２秒である。補水用イオン交換樹脂では、この第２時間Ｔ２の間に、改質水タンク６に導入された水道水から不純物等を除去し補水を生成する。水道水の浄化を確実に行うため、第２時間Ｔ２は、先に述べた、補水用電磁開閉式の止水弁Ｖ_１の「開」時間である第１時間Ｔ１より長く設定される。

また、〔Ｓ１７〕において、第２のイオン交換樹脂容器６４上部に配設された第１の電気伝導率計ＷＣ_１が計測した、脱イオン水の導電率が、６０μｓを超え、補水用イオン交換樹脂が破過したことが検知されたまたは破過したことが疑われる場合、すなわち〔Ｓ１７〕における分岐判定が「Ｎｏ」の場合、制御装置３０は、先述の制御装置３０等を構成するプログラム等の中に予め設定された、補水用イオン交換樹脂の破過を示すＣＰフラグの値を、「０（ゼロ）」から「１」に書き換え〔Ｓ１８〕してから、補水制御を停止〔Ｓ１９〕し、フローの最初であるスタート〔Ｓ０〕へ戻る。

このように補水用イオン交換樹脂の破過が疑われる場合でも、本実施形態の制御装置３０は、上記の補水用イオン交換樹脂の破過以外の他の異常がなければ、〔Ｓ１２〕に例示するような、燃料電池装置の発電運転を停止する異常停止制御は実行せずに、補水用イオン交換樹脂の破過を示すＣＰフラグの値の、０から１への書き換え〔Ｓ１８〕を実行してから、補水制御を停止する〔Ｓ１９〕。

したがって、本実施形態における制御装置３０は、補水制御の実行中に浄化装置の破過が検知された場合、浄化装置に破過の異常が発生したことを原因とする、すなわち浄化装置の破過に起因する異常停止制御は実行せず、代わりに、実行中の補水制御の実行を停止する〔Ｓ１９〕。これは、本開示の破過対処制御の一例であると同時に、後述の「メンテナンスが必要となる異常」が発生した場合に実行される異常停止制御の、例外的な処置、または異常停止制御の例外、の一例でもある。

なお、ＣＰフラグの値の書き換え〔Ｓ１８〕は、補水制御の停止〔Ｓ１９〕の後に行っても差し支えない。また、本実施形態におけるフローチャートには示していないが、浄化装置が破過したことを外部に発報する〔Ｓ１４〕等の破過発報制御を、補水制御の停止〔Ｓ１９〕の前または後に実行することもできる。

つぎに、〔Ｓ１８〕にてＣＰフラグの値を「１」に書き換えたのち、補水制御を停止し、図４Ａのフローチャートのスタート〔Ｓ０〕に復帰した場合、再度のタンク内凝縮水の水位低下〔Ｓ１〕を経て、破過判定制御〔Ｓ２〕までフローが進行した時、先に述べたものと異なり、今回は、破過判定制御〔Ｓ２〕において、分岐判定は「Ｎｏ」（Ｆｌａｇ＝１）となる。

そのため、制御装置３０は、新たに〔Ｓ１１〕において、改質水タンク６の渇水位置である低水位位置の水検知器ＷＬ_２が、水検出信号を発信しているか否か、すなわちタンク内の貯留凝縮水の上水面が、危険レベルにまで低下していないかどうか、を確認する。

この〔Ｓ１１〕において、低水位位置の水検知器ＷＬ_２からの水検出信号が検出され続けている「Ｙｅｓ」であれば、改質水タンク６内の改質水の貯水量は、まだ危険レベルにまで低下していないと判断して、制御装置３０は、先に述べた〔Ｓ１〕のループに戻る。

つまり、補水用イオン交換樹脂に破過が発生していて、〔Ｓ３｝以降の補水制御を実行することができなくても、改質水の貯水量が危険レベル以下になるまでは、燃料電池装置の発電運転が継続される。ただし、このように補水がされずに発電運転が継続される場合、回収される凝縮水の量が増えなければ、改質水タンク６の水位は徐々に低下していくことになる。

そして、〔Ｓ１１〕において、低水位位置の水検知器ＷＬ_２からの水検出信号が途絶えた「Ｎｏ」であれば、制御装置３０は、改質水タンク６内の改質水の貯水量が危険レベルにまで低下していると判断する。改質水タンク６内の水位が低水位以下となった場合には、一度発電運転を停止〔Ｓ１２〕させてメンテナンスを施す必要がある。

すなわち、手動でのメンテナンスが完了するまでは、発電運転を再開することができない。このように、メンテナンスが必要となる異常な事象が発生した場合に燃料電池装置の発電運転を停止する制御は、異常停止制御の一例であり、上記の例は、タンクに貯留された水の量が予め決められた所定水量未満となったことを原因とする異常停止制御、である。

なお、上述の異常停止制御は、図４Ａのフローチャートに示すように、発電運転の停止〔Ｓ１２〕に伴って、異常停止制御実行の原因となった異常の情報（原因情報）を、たとえば表示装置５０等を通じて、外部へ発報〔Ｓ１３〕してもよい。

また、本実施形態の燃料電池装置は、前述の原因情報の外部への発報する〔Ｓ１３〕の後に、「補水用イオン交換樹脂が破過している」という情報を外部に向けて発報する破過発報制御〔Ｓ１４〕を実行可能である。破過発報制御における異常情報（破過情報）の発報方法は、上述する異常停止制御における異常情報の発報方法と同様であっても、異なっていてもよい。

以上、詳述したように、本実施形態の燃料電池装置、制御装置および制御プログラムは、イオン交換樹脂が破過した場合でも、直ちに運転を停止しないため、効率よく発電運転を行うことができる。

また、この構成によって、本実施形態の燃料電池装置、制御装置および制御プログラムは、その補水用イオン交換樹脂のメンテナンスを、先に述べた、改質水の貯水量が危険レベル未満となった渇水異常が発生した場合に、当該異常を解消するためのメンテナンスと同じタイミングで行うことが可能になる。したがって、本実施形態の燃料電池装置は、メンテナンスの回数を低減することができる。

また、本実施形態の燃料電池装置は、前述の、補水用イオン交換樹脂の破過を示すＣＰフラグの値の「０」から「１」への書き換え〔Ｓ１８〕後は、そのＣＰフラグ「１」は、ユーザ等を含む管理者の命令指示なしに、リセットされない。すなわち、言い換えれば、制御装置３０は、補水用イオン交換樹脂の破過を検知した場合、補水用イオン交換樹脂の破過を示すＣＰフラグを「１」に書き換える破過記録制御を実行するとともに、外部からの記録消去命令等を受信するまで、前記ＣＰフラグを「１」のまま維持する記録保持制御を実行する。

この構成により、本実施形態の燃料電池装置、制御装置および制御プログラムは、補水用イオン交換樹脂が破過した、または破過が疑われた際に、それを記憶して、前述のような改質水の貯水量が危険レベル未満となった渇水異常が発生した場合に、この渇水異常について外部に発せられる情報である信号，報告等に加えて、補水用イオン交換樹脂に異常が生じているという情報を、管理者等に確実に伝達することができる。

前述の実施形態は、本開示の燃料電池装置における補水用イオン交換樹脂の破過制御の一例である。また、上記例では、制御装置３０における破過検知制御に含まれる補水量確認制御に用いられる補水量積算装置の一例として、補水用イオン交換樹脂を流過した水量の積算・累積項目である、電磁開閉式止水弁Ｖ_１の累積開弁時間Ｖ_Ｔを用いたが、たとえば、外部水である水道水の、第２のイオン交換樹脂容器６４への時間あたり流入量を計測するフローメーター、あるいは、量水計等を備える場合、それらのセンサから得られる値、すなわち水量を積算して、累積水量の値を、補水用イオン交換樹脂の破過判定の指標または基準としてもよい。これらフローメーターおよび量水計等も、補水量積算装置の一例である。

また、たとえば、前記の外部水である水道水の、第２のイオン交換樹脂容器６４への流入量を、水補給流路Ｇに配設された止水弁Ｖ_１が開弁された時間と、水補給流路Ｇ中を流れる外部水の水圧または流量等にもとづいて、演算で算出可能であれば、開弁された時間を積算した累積値を、第２のイオン交換樹脂容器６４へ流入した累積水量として、補水用イオン交換樹脂の破過判定に利用してもよい。

実施形態では、燃料電池装置において異常停止制御が実行される「補水用イオン交換樹脂の破過以外の他の異常」の一例として、改質水タンク６内の水位が低水位以下の渇水位となる場合を例示したが、本開示におけるメンテナンスが必要となる異常な事象・現象は、これに限られるものでない。

また、前述の補水用イオン交換樹脂の破過の異常も、最終的にはメンテナンスが必要となるため、上記メンテナンスが必要となる異常に含まれるものである。しかしながら、本実施形態における燃料電池装置は、この「補水用イオン交換樹脂の破過の異常」の処理を、「メンテナンスが必要となる他の異常」と分けて、特例として例外的に処理するものである。

また、本実施形態におけるフローチャートには示していないが、補水用イオン交換樹脂が充填された第２のイオン交換樹脂容器６４の上部に溜まる脱イオン水の導電率が第３値を超える場合も、本開示におけるメンテナンスが必要となる異常な事象に該当する。

その場合、制御装置３０は、電気伝導率計の異常または補水電磁弁の異常が発生したと判断して、異常停止制御を実行する。第３値は、上述する第２値より大きい値であり、たとえば、１００μｓ程度である。第２のイオン交換樹脂容器６４の上部に溜まる脱イオン水の導電率が第３値を超えるか否かは、発電運転を実行している間、常時、判定していてもよい。

なお、燃料電池装置の制御装置３０および記憶装置４０は、燃料電池装置１００の外部に有する構成として実現することもできる。さらに、本開示に係る制御装置３０における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。

また、セルスタック装置および燃料電池モジュールは、ＳＯＦＣに限定されず、たとえば固体高分子形燃料電池〔Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ（ＰＥＦＣ）〕、リン酸形燃料電池〔Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ（ＰＡＦＣ）〕、および、溶融炭酸塩形燃料電池〔Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ（ＭＣＦＣ）〕などのような燃料電池で構成してもよい。

さらに、本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

１ 燃料電池モジュール
６ 改質水タンク（第１タンク）
６１ 第１改質水タンク
６２ 第２改質水タンク
６３ 第１イオン交換樹脂容器
６４ 第２イオン交換樹脂容器
３０ 制御装置
４０ 記憶装置
５０ 表示装置
１００ 燃料電池装置

Ｖ_１ 止水弁
Ｇ 水補給流路
ＷＣ_１ 電気伝導率計
ＷＬ_１ 水検知器（中水位センサ）
ＷＬ_２ 水検知器（低水位センサ）

Claims (9)

1. 燃料電池と、
   該燃料電池より排出される排ガスから回収した水を貯留する第１タンクと、
   前記第１タンクに外部から水を補給する補水装置と、
   外部から補給される水を浄化する浄化装置と、
   該浄化装置の破過を検知する破過検知装置と、
   前記燃料電池の発電運転を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記補水装置により前記第１タンクに外部の水を補給する補水制御と、
   前記破過検知装置により前記浄化装置の破過を検知する破過検知制御と、
   メンテナンスが必要となる異常が発生した場合に燃料電池の発電運転を停止する異常停止制御と、
   前記破過検知制御により、前記補水制御の実行中に前記浄化装置の破過が検知された場合、前記浄化装置の破過の異常を原因とする前記異常停止制御を実行せずに、前記補水制御の実行を停止する、破過対処制御と、
   を実行するように構成された、燃料電池装置。
2. 前記制御装置は、前記破過対処制御において、前記補水制御の実行を停止したのち、前記第１タンクに貯留された水の量が、予め決められた所定水量未満となったことを原因とする前記異常停止制御が実行された場合に、
   前記浄化装置の破過の情報を外部に発報する破過発報制御を実行する、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置が実行するプログラムと該プログラムの実行に必要な情報とを記憶する記憶装置をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記破過検知装置による前記浄化装置の破過の検知を前記記憶装置に記録する破過記録制御と、
   前記浄化装置の破過の記録を前記記憶装置内に保持する記録保持制御と、を実行可能であり、
   前記制御装置は、前記破過検知制御により前記浄化装置の破過が検知された場合、前記破過記録制御を実行するとともに、外部からの記録消去命令を受信するまで、前記記録保持制御を実行する、請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 前記破過検知装置は、
   外部から補給され、前記浄化装置を経由した水の量を積算する補水量積算装置と、
   前記浄化装置を経由した外部の水の導電率を測定する水質測定装置と、を含み、
   前記破過検知制御は、
   前記浄化装置を経由した外部の水の総量を示す積算値が、予め決められた第１値を超えるか否かを確認する補水量確認制御と、
   前記浄化装置を経由した外部の水の導電率の値が、予め決められた第２値を超えるか否かを確認する導電率確認制御と、を含み
   前記制御装置は、前記破過検知制御において、
   前記補水量確認制御における前記積算値が前記第１値を超え、かつ、
   前記導電率確認制御における前記導電率の値が前記第２値を超える場合に、
   前記浄化装置が破過したと検知する、請求項１～３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
5. 前記補水装置は、外部から補給される水の流入を制御する電磁開閉式の止水弁を含み、
   前記積算値は、前記止水弁が開いていた時間を積算した値である、請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記補水装置は、外部から補給される水の流入を制御する電磁開閉式の止水弁を含み、
   前記補水制御は、予め決められた第１時間継続して前記止水弁を開いた後、予め決められた第２時間継続して前記止水弁を閉じる止水弁開閉制御を、複数回繰り返して実行する、請求項１～５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
7. 前記第１時間は、前記第２時間より短い、請求項６に記載の燃料電池装置。
8. 燃料電池を備える燃料電池装置を制御する制御装置であって、
   前記燃料電池は、浄化装置と、破過検知装置と、を備え、
   前記燃料電池装置内に外部の水を補給する補水制御と、
   前記破過検知装置により前記浄化装置の破過を検知する破過検知制御と、を含み、
   運転の停止が必要となる事象が発生した場合に燃料電池の発電運転を停止する異常停止制御と、
   前記浄化装置に破過が発生した場合に前記補水制御の実行を停止する破過対処制御と、を選択的に実行可能であり、
   前記補水制御の実行中に、前記浄化装置の破過が発生した場合、前記異常停止制御に代えて、前記破過対処制御を実行する、制御装置。
9. 燃料電池を備える燃料電池装置を制御する制御装置に、
   燃料電池装置内に外部の水を補給する補水制御ステップと、
   破過検知装置により浄化装置の破過を検知する破過検知制御ステップと、
   運転の停止が必要となる事象を検知した場合に燃料電池の発電運転を停止する異常停止制御ステップと、
   前記浄化装置の破過を検知した場合に前記補水制御の実行を停止する破過対処制御ステップと、を実行させる制御プログラムであって、
   前記補水制御ステップの実行中に、前記破過検知制御ステップにおいて浄化装置の破過を検知した場合、前記異常停止制御ステップの実行に代えて、実行中の前記補水制御ステップを停止して、前記破過対処制御ステップを実行する、制御プログラム。

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