燃料電池発電システムおよびその冷却方法
【課題】冷却水系流路と水処理水系流路との両方の流路に対して空気溜りの発生を防止する。
【解決手段】第１の冷却水タンク４１は、燃料電池スタック１のスタック内冷却水流路１２からの冷却水を溜め、第２の冷却水タンク４２は、イオン交換樹脂５により不純物イオンが取り除かれた冷却水を溜める。冷却水系流路２０は、第２の冷却水タンク４２から冷却水ポンプ２およびスタック内冷却水流路１２を介して第１の冷却水タンク４１に通じ、水処理水系流路６０は、第１の冷却水タンク４１から水処理水ポンプ６およびイオン交換樹脂５を介して第２の冷却水タンク４２に通じる。制御部７は、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する第１処理と、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御する。
【解決手段】第１の冷却水タンク４１は、燃料電池スタック１のスタック内冷却水流路１２からの冷却水を溜め、第２の冷却水タンク４２は、イオン交換樹脂５により不純物イオンが取り除かれた冷却水を溜める。冷却水系流路２０は、第２の冷却水タンク４２から冷却水ポンプ２およびスタック内冷却水流路１２を介して第１の冷却水タンク４１に通じ、水処理水系流路６０は、第１の冷却水タンク４１から水処理水ポンプ６およびイオン交換樹脂５を介して第２の冷却水タンク４２に通じる。制御部７は、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する第１処理と、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池発電システムおよびその冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムにおいて、燃料電池スタックは、カソード極に供給される酸化剤ガスとアノード極に供給される改質燃料ガスとが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。この電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池スタックの温度が上昇する。このため、燃料電池発電システムでは、燃料電池スタックに冷却水を循環させて、燃料電池スタックを冷却している。
【０００３】
その燃料電池発電システムは、燃料電池スタックと、冷却水ポンプと、第１および第２の冷却水タンクと、水処理水ポンプと、冷却水系流路と、水処理水系流路と、を具備している。
【０００４】
冷却水系流路は、第２の冷却水タンクから冷却水ポンプおよび燃料電池スタックの冷却水流路であるスタック内冷却水流路を介して第１の冷却水タンクに通じる流路である。水処理水系流路は、第１の冷却水タンクから水処理水ポンプおよびイオン交換樹脂を介して第２の冷却水タンクに通じる流路である。
【０００５】
第１の冷却水タンクには、スタック内冷却水流路から冷却水系流路を介して冷却水が流れ、第１の冷却水タンクは、その冷却水を溜める。イオン交換樹脂には、第１の冷却水タンクから水処理水系流路を介して冷却水が流れ、イオン交換樹脂は、その冷却水から不純物イオンを取り除く。第２の冷却水タンクには、イオン交換樹脂から水処理水系流路を介して不純物イオンが取り除かれた冷却水が流れ、第２の冷却水タンクは、その冷却水を溜める。
【０００６】
冷却水ポンプは、第２の冷却水タンクからスタック内冷却水流路を通して第１の冷却水タンクに冷却水を循環させ、水処理水ポンプは、第１の冷却水タンク内の冷却水をイオン交換樹脂から第２の冷却水タンクに循環させる。
【０００７】
このような燃料電池発電システムにおいては、長期間にわたって運転する場合、次のような問題がある。それは、冷却水ポンプおよび水処理水ポンプからの気泡の発生や、冷却水系流路および水処理水系流路の配管の圧力損失の変化などにより、いわゆる「空気溜り」が発生することである。この空気溜りにより冷却能力が低下した場合、システムが故障したり停止したりする可能性がある。
【０００８】
そこで、冷却水系流路内の空気溜りの発生を防止するために、冷却水系流路内の冷却水を常時脈動させたり、起動時、運転時および停止時に、冷却水系流路に対して圧力変動および流動変動を複数回与えたりしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２８２７６４号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
冷却水系流路内の空気溜りの発生を防止するためには、あるタイミングで冷却水系流路内の空気溜りの発生を防止できればよく、長期にわたる運転では常時脈動させる必要はない。
【００１１】
また、冷却水系流路内の空気溜りの発生を防止するために、起動時、運転時および停止時に、冷却水系流路に対して圧力変動および流動変動を複数回与えているが、冷却水系流路と水処理水系流路との両方の流路を用いたシステムではない。すなわち、冷却水系流路だけを考慮したシステムであって、水処理水系流路の空気溜りについては考慮されていない。具体的には、第１の冷却水タンクから水処理水ポンプおよびイオン交換樹脂を介して第２の冷却水タンクに冷却水が流れるときの気泡の発生や、水処理水系流路そのものの圧力損失の変化のことまでは考慮されていない。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、冷却水系流路と水処理水系流路との両方の流路に対して空気溜りの発生を防止または低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのスタック内冷却水流路からの冷却水を溜める第１の冷却水タンクと、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水から不純物イオンを取り除くイオン交換樹脂と、前記不純物イオンが取り除かれた前記冷却水を溜める第２の冷却水タンクと、前記第２の冷却水タンクから前記スタック内冷却水流路を通して前記第１の冷却水タンクに前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水を前記イオン交換樹脂から前記第２の冷却水タンクに循環させる水処理水ポンプと、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を第１の出力値に維持する第１処理と前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御する制御部と、を具備することを特徴とする。
【００１４】
また、実施形態の燃料電池発電システムの冷却方法は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのスタック内冷却水流路からの冷却水を溜める第１の冷却水タンクと、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水から不純物イオンを取り除くイオン交換樹脂と、前記不純物イオンが取り除かれた前記冷却水を溜める第２の冷却水タンクと、冷却水ポンプと、水処理水ポンプと、を具備する燃料電池発電システムの冷却方法において、前記冷却水ポンプが、前記第２の冷却水タンクから前記スタック内冷却水流路を通して前記第１の冷却水タンクに前記冷却水を循環させるステップと、前記水処理水ポンプが、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水を前記イオン交換樹脂から前記第２の冷却水タンクに循環させるステップと、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を第１の出力値に維持する第１処理と前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御するステップと、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、冷却水系流路と水処理水系流路との両方の流路に対して空気溜りの発生を防止または低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの制御部の動作を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図６】第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図７】第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部の動作を示すフローチャートである。
【図８】第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部の動作を示すフローチャートである。
【図９】図８の異常検出処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１８】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部７の動作を示すフローチャートである。図３は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートである。
【００１９】
図１に示されるように、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料電池スタック１と、冷却水ポンプ２と、燃料処理装置３と、複合冷却水タンク４と、水処理水ポンプ６と、中央制御部７と、冷却水ポンプ制御部８と、水処理水ポンプ制御部９と、冷却水系流路２０と、水処理水系流路６０と、を具備している。
【００２０】
燃料電池スタック１は、カソード極１１とスタック内冷却水流路１２とアノード極１３とを備えている。カソード極１１には、酸素を含む酸化剤ガス（空気）が供給される。アノード極１３には、水素を含む改質燃料ガスが供給される。燃料電池スタック１は、カソード極１１に供給される酸化剤ガスとアノード極１３に供給される改質燃料ガスとが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。
【００２１】
複合冷却水タンク４には仕切りが設けられ、複合冷却水タンク４は２つの冷却タンクに分けられている。２つの冷却タンクをそれぞれ第１の冷却水タンク４１および第２の冷却水タンク４２と称する。
【００２２】
冷却水系流路２０は、第２の冷却水タンク４２から冷却水ポンプ２およびスタック内冷却水流路１２を介して第１の冷却水タンク４１に通じる流路である。水処理水系流路６０は、第１の冷却水タンク４１から水処理水ポンプ６およびイオン交換樹脂５を介して第２の冷却水タンク４２に通じる流路である。
【００２３】
第１の冷却水タンク４１には、スタック内冷却水流路１２から冷却水系流路２０を介して冷却水が流れ、第１の冷却水タンク４１は、その冷却水を溜める。イオン交換樹脂５には、第１の冷却水タンク４１から水処理水系流路６０を介して冷却水が流れ、イオン交換樹脂５は、その冷却水から不純物イオンを取り除く。第２の冷却水タンク４２には、イオン交換樹脂５から水処理水系流路６０を介して不純物イオンが取り除かれた冷却水が流れ、第２の冷却水タンク４２は、その冷却水を溜める。
【００２４】
燃料処理装置３は、原燃料ガスと空気とを取り入れて、原燃料ガスと空気と燃料電池スタック１のアノード極１３から循環されたガス（残燃料ガス）と第２の冷却水タンク４２内の冷却水により、水素を含む改質燃料ガスを生成する。燃料処理装置３は、その改質燃料ガスを燃料電池スタック１のアノード極１３に供給する。
【００２５】
冷却水ポンプ２は、第２の冷却水タンク４２からスタック内冷却水流路１２を通して第１の冷却水タンク４１に冷却水を循環させる。水処理水ポンプ６は、第１の冷却水タンク４１内の冷却水をイオン交換樹脂５から第２の冷却水タンク４２に循環させる。
【００２６】
中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９は、ハードウェアまたはソフトウェアにより構成されている。たとえば、それらがソフトウェアである場合、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムは、さらに、コンピュータを具備し、そのコンピュータは、記憶部と、中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９との機能を有するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とを備えている。記憶部にはコンピュータプログラムが格納され、ＣＰＵは、コンピュータプログラムを記憶部から読み出して、そのコンピュータプログラムを実行する。
【００２７】
上述の中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９の動作について図２を参照して説明する。
【００２８】
中央制御部７は、システムが起動したとき（ステップＳ１）、後述する第１処理（ステップＳ２）と第２処理（ステップＳ３）とを行う。中央制御部７は、システムが運転停止しない場合（ステップＳ４−ＮＯ）、第１処理（ステップＳ２）と第２処理（ステップＳ３）とを交互に繰り返す。
【００２９】
第１処理において、中央制御部７は、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に設定するための第１制御信号７１をそれぞれ冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。このとき、冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第１制御信号７１に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する。
【００３０】
第２処理において、中央制御部７は、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第２の出力値に設定するための第２制御信号７２をそれぞれ冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第２制御信号７２に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する。
【００３１】
冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の空気溜りの発生を防止または低減するために、第２の出力値は、第１の出力値よりも高い値である。または、第２の出力値は、第１の出力値に対して脈動した値である。この場合、正弦波変動でも方形波変動でもよい。本実施形態では、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の特性や冷却水系流路２０および水処理水系流路６０の特性を考慮して、第１処理および第２処理に対する最適な値が決定され、その値が第１の出力値および第２の出力値として中央制御部７に予め設定されている。
【００３２】
第２処理は、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の空気溜りの発生を防止または低減するために設定されているため、長期にわたる運転では常時必要はない。そのため、図３に示されるように、第２処理の所要時間は、第１処理の所要時間よりもはるかに短い。
【００３３】
また、第１制御信号７１と第２制御信号７２とが切り替えられるタイミングは、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の特性や冷却水系流路２０および水処理水系流路６０の特性を考慮して決定され、中央制御部７に予め設定されている。この場合、図３に示されるように、第１制御信号７１と第２制御信号７２は定周期で切り替わる。すなわち、第１処理と第２処理は定周期で切り替わる。
【００３４】
このように、本実施形態によれば、中央制御部７、冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９により、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する第１処理と、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを交互に繰り返す。このため、長期間にわたって運転する場合、第２の冷却水タンク４２から冷却水ポンプ２およびスタック内冷却水流路１２を介して第１の冷却水タンク４１に通じる冷却水系流路２０と、第１の冷却水タンク４１から水処理水ポンプ６およびイオン交換樹脂５を介して第２の冷却水タンク４２に通じる水処理水系流路６０との両方の流路に対して、空気溜りの発生を防止または低減することができる。
【００３５】
［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部７の動作を示すフローチャートである。図５は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートである。
【００３６】
第２の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、空気溜りが発生しやすい時間を予め計測しておき、それを設定時間としてポンプ出力を変更する。本実施形態について、第１の実施形態からの変更点のみ説明する。
【００３７】
中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９の動作について図４を参照して説明する。
【００３８】
中央制御部７は、システムが起動したとき（ステップＳ１１）、第１設定時間が経過するまで（ステップＳ１３−ＮＯ）、上述の第１処理を行う（ステップＳ１２）。中央制御部７は、第１設定時間が経過した場合（ステップＳ１３−ＹＥＳ）、第２設定時間が経過するまで（ステップＳ１５−ＮＯ）、上述の第２処理を行う（ステップＳ１４）。中央制御部７は、第２設定時間が経過した場合（ステップＳ１５−ＹＥＳ）、システムが運転停止しない場合（ステップＳ１６−ＮＯ）、第１処理（ステップＳ１２）と第２処理（ステップＳ１４）とを交互に繰り返す。
【００３９】
第１処理において、中央制御部７は、第１制御信号７１を冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。このとき、冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第１制御信号７１に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する。
【００４０】
第２処理において、中央制御部７は、第２制御信号７２を冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第２制御信号７２に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第２の出力値に変更する。
【００４１】
第２処理は、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の空気溜りの発生を防止または低減するために設定されているため、長期にわたる運転では常時必要はない。そのため、図５に示されるように、第２設定時間は、第１設定時間よりもはるかに短い。
【００４２】
また、第１制御信号７１と第２制御信号７２とが切り替えられるタイミングは、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の特性や冷却水系流路２０および水処理水系流路６０の特性を考慮して決定され、中央制御部７に予め設定されている。たとえば、空気溜りが発生しやすい時間を予め計測しておき、この時間が５０００時間、１００００時間、１５０００時間、…である場合、これを第１設定時間として中央制御部７に予め設定しておく。
【００４３】
この場合、図３に示されるように、第２制御信号７２は、起動時、および、起動時から第１設定時間が経過する度に中央制御部７から出力され、第１制御信号７１は、第２設定時間が経過する度に中央制御部７から出力される。すなわち、第２処理は、起動時、および、起動時から第１設定時間が経過する度に第２設定時間だけ行われ、第１処理は、第２設定時間が経過する度に行われる。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、空気溜りが発生しやすい時間を予め計測しておき、それを設定時間としてポンプ出力を変更することにより、第１の実施形態に対して省電力化を図ることができる。
【００４５】
［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。図７は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部７の動作を示すフローチャート図である。
【００４６】
第３の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、空気溜りが発生する要因となるパラメータ（圧力および流量）をリアルタイムに計測し、その計測結果に基づいてポンプ出力を変更する。本実施形態について、第１および第２の実施形態からの変更点のみ説明する。
【００４７】
図６に示されるように、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムは、第１の実施形態の構成に対して、さらに、冷却水系監視部３１と、水処理水系監視部３２と、を具備している。
【００４８】
冷却水系監視部３１は、冷却水系流路２０内の冷却水の圧力を監視し、その監視結果を表す第１監視信号３３を出力する。水処理水系監視部３２は、水処理水系流路６０内の冷却水の圧力の値を監視し、その監視結果を表す第２監視信号３４を出力する。
【００４９】
冷却水系監視部３１および水処理水系監視部３２は、計測器３５を備えている。計測器３５は、たとえば、圧力スイッチ、圧力計および流量計の少なくとも１つの計測器である。
【００５０】
計測器３５が圧力スイッチである場合、冷却水系監視部３１の圧力スイッチは、冷却水系流路２０内の冷却水の圧力が許容範囲内ではないときに動作し、その旨を表す第１監視信号３３を中央制御部７に出力する。水処理水系監視部３２の圧力スイッチは、水処理水系流路６０内の冷却水の圧力が許容範囲内ではないときに動作し、その旨を表す第２監視信号３４を中央制御部７に出力する。たとえば、圧力スイッチが動作していない状態において、第１監視信号３３および第２監視信号３４が表す値を「０」とした場合、圧力スイッチが動作した状態においては、それぞれ、第１監視信号３３および第２監視信号３４が表す値を「１」とする。そこで、冷却水系監視部３１および水処理水系監視部３２の圧力スイッチの動作状態を表す第１許容範囲を上記「０」とし、中央制御部７には、その第１許容範囲「０」が所定の許容範囲として予め設定されている。
【００５１】
計測器３５が圧力計である場合、冷却水系監視部３１の圧力計は、冷却水系流路２０内の冷却水の圧力を計測し、その旨を表す第１監視信号３３を中央制御部７に出力する。水処理水系監視部３２の圧力計は、水処理水系流路６０内の冷却水の圧力を計測し、その旨を表す第２監視信号３４を中央制御部７に出力する。中央制御部７には、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の冷却水の圧力の許容範囲を表す第２許容範囲が所定の許容範囲として予め設定されている。
【００５２】
計測器３５が流量計である場合、冷却水系監視部３１の流量計は、冷却水系流路２０内の冷却水の流量を計測し、その旨を表す第１監視信号３３を中央制御部７に出力する。水処理水系監視部３２の流量計は、水処理水系流路６０内の冷却水の流量を計測し、その旨を表す第２監視信号３４を中央制御部７に出力する。中央制御部７には、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の冷却水の流量の許容範囲を表す第３許容範囲が所定の許容範囲として予め設定されている。
【００５３】
次に、中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９の動作について図７を参照して説明する。ここで、圧力スイッチ、圧力計および流量計の具体例として、冷却水系監視部３１および水処理水系監視部３２の計測器３５は、圧力スイッチ、圧力計および流量計を含んでいるものとする。
【００５４】
中央制御部７は、システムが起動したとき（ステップＳ２１）、上述の第１処理を行う（ステップＳ２２）。
【００５５】
第１処理において、中央制御部７は、第１制御信号７１を冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。このとき、冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第１制御信号７１に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する。
【００５６】
中央制御部７は、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値（圧力スイッチの動作状態、圧力および流量）および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値（圧力スイッチの動作状態、圧力および流量）が、それぞれ、所定の許容範囲（第１許容範囲「０」、第２許容範囲および第３許容範囲）内である場合（ステップＳ２３−ＹＥＳ）、第１処理を継続する（ステップＳ２２）。また、中央制御部７は、第１監視信号３３が表す値および第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にない状態でも、その状態を第３設定時間継続しない場合（ステップＳ２３−ＮＯ、Ｓ２４−ＮＯ）、第１処理を継続する（ステップＳ２２）。
【００５７】
中央制御部７は、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値のうちの少なくとも一方の値が許容範囲内にない状態であり、その状態を第３設定時間継続しているときに（ステップＳ２３−ＮＯ、Ｓ２４−ＹＥＳ）、システムが運転停止しない場合（ステップＳ２５−ＮＯ）、上述の第２処理を行う（ステップＳ２６）。第３設定時間は、通常、前述の第１設定時間よりもはるかに短い。
【００５８】
第２処理において、中央制御部７は、第２制御信号７２を冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第２制御信号７２に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第２の出力値に変更する。
【００５９】
中央制御部７は、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値のうちの少なくとも一方の値が許容範囲内にない状態である場合（ステップＳ２７−ＮＯ）、第２処理を継続する（ステップＳ２６）。中央制御部７は、第１監視信号３３が表す値および第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にある状態であり、その状態を第４設定時間継続していないときに、システムが運転停止しない場合（ステップＳ２９−ＮＯ）、第２処理を継続する（ステップＳ２６）。
【００６０】
中央制御部７は、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にある状態であり、その状態を第４設定時間継続した場合（ステップＳ２７−ＹＥＳ、Ｓ２８−ＹＥＳ）、第１処理として、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に復帰させる（ステップＳ２２）。第４設定時間は、通常、前述の第１設定時間よりもはるかに短い。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、空気溜りが発生する要因となるパラメータ（圧力および流量）をリアルタイムに計測し、その計測結果に基づいてポンプ出力を変更することにより、第１および第２の実施形態に対して省電力化を図ることができる上に、第１および第２の実施形態よりも空気溜りを確実に抑制することができる。
【００６２】
［第４の実施形態］
図８は、第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部７の動作を示すフローチャートである。図９は、図８の異常検出処理を示すフローチャートである。
【００６３】
第４の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、第２処理が行われたときに冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にある状態を第５設定時間継続できない場合、ポンプや流路に異常があるものと判断し、その旨を表す異常判断結果を出力し、システムの運転を停止させる。本実施形態について、第１〜第３の実施形態からの変更点のみ説明する。
【００６４】
第３の実施形態では、中央制御部７は、第２処理を行ったときに（ステップＳ２６）、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値のうちの少なくとも一方の値が許容範囲内にない状態である場合（ステップＳ２７−ＮＯ）、第２処理を継続している（ステップＳ２６）。
【００６５】
一方、本実施形態では、図８に示されるように、中央制御部７は、第２処理を行ったときに（ステップＳ２６）、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値のうちの少なくとも一方の値が許容範囲内にない状態である場合（ステップＳ２７−ＮＯ）、後述する異常検出処理を行う（ステップＳ３０）。
【００６６】
図８および図９に示されるように、中央制御部７は、異常検出処理において上述の状態を第５設定時間継続していない場合（ステップＳ３１−ＮＯ）、第２処理を継続する（ステップＳ２６）。
【００６７】
一方、中央制御部７は、異常検出処理において上述の状態を第５設定時間継続している場合（ステップＳ３１−ＹＥＳ）、冷却水ポンプ２、水処理水ポンプ６、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０の少なくとも１つに異常があるものと判断し、その旨を表す異常判断結果を生成し、その異常判断結果を出力装置に出力する（ステップＳ３２）。出力装置としては、表示装置、印刷装置および記憶装置が例示される。
【００６８】
中央制御部７は、異常判断結果を出力装置に出力した後、または、同時に、速やかにシステムの運転を停止させる（ステップＳ３３）。
【００６９】
このように、本実施形態によれば、第２処理が行われたときに冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にある状態を第５設定時間継続できない場合、ポンプや流路に異常があるものと判断し、その旨を表す異常判断結果を出力することにより、空気溜りの原因がポンプや流路の異常という旨を迅速に通知することができる。また、システムの運転を停止させることにより、ポンプや流路に異常が発生した場合でも安全性を確保できる。
【００７０】
［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、また各実施形態の特徴を組み合わせることができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１ … 燃料電池スタック
２ … 冷却水ポンプ
３ … 燃料処理装置
４ … 複合冷却水タンク
５ … イオン交換樹脂
６ … 水処理水ポンプ
７ … 中央制御部
８ … 冷却水ポンプ制御部
９ … 水処理水ポンプ制御部
１１ … カソード極
１２ … スタック内冷却水流路
１３ … アノード極
２０ … 冷却水系流路
３１ … 冷却水系監視部
３２ … 水処理水系監視部
３３ … 第１監視信号
３４ … 第２監視信号
３５ … 計測器（圧力スイッチ、圧力計および流量計）
４１ … 第１の冷却水タンク
４２ … 第２の冷却水タンク
６０ … 水処理水系流路
７１ … 第１制御信号
７２ … 第２制御信号
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池発電システムおよびその冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムにおいて、燃料電池スタックは、カソード極に供給される酸化剤ガスとアノード極に供給される改質燃料ガスとが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。この電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池スタックの温度が上昇する。このため、燃料電池発電システムでは、燃料電池スタックに冷却水を循環させて、燃料電池スタックを冷却している。
【０００３】
その燃料電池発電システムは、燃料電池スタックと、冷却水ポンプと、第１および第２の冷却水タンクと、水処理水ポンプと、冷却水系流路と、水処理水系流路と、を具備している。
【０００４】
冷却水系流路は、第２の冷却水タンクから冷却水ポンプおよび燃料電池スタックの冷却水流路であるスタック内冷却水流路を介して第１の冷却水タンクに通じる流路である。水処理水系流路は、第１の冷却水タンクから水処理水ポンプおよびイオン交換樹脂を介して第２の冷却水タンクに通じる流路である。
【０００５】
第１の冷却水タンクには、スタック内冷却水流路から冷却水系流路を介して冷却水が流れ、第１の冷却水タンクは、その冷却水を溜める。イオン交換樹脂には、第１の冷却水タンクから水処理水系流路を介して冷却水が流れ、イオン交換樹脂は、その冷却水から不純物イオンを取り除く。第２の冷却水タンクには、イオン交換樹脂から水処理水系流路を介して不純物イオンが取り除かれた冷却水が流れ、第２の冷却水タンクは、その冷却水を溜める。
【０００６】
冷却水ポンプは、第２の冷却水タンクからスタック内冷却水流路を通して第１の冷却水タンクに冷却水を循環させ、水処理水ポンプは、第１の冷却水タンク内の冷却水をイオン交換樹脂から第２の冷却水タンクに循環させる。
【０００７】
このような燃料電池発電システムにおいては、長期間にわたって運転する場合、次のような問題がある。それは、冷却水ポンプおよび水処理水ポンプからの気泡の発生や、冷却水系流路および水処理水系流路の配管の圧力損失の変化などにより、いわゆる「空気溜り」が発生することである。この空気溜りにより冷却能力が低下した場合、システムが故障したり停止したりする可能性がある。
【０００８】
そこで、冷却水系流路内の空気溜りの発生を防止するために、冷却水系流路内の冷却水を常時脈動させたり、起動時、運転時および停止時に、冷却水系流路に対して圧力変動および流動変動を複数回与えたりしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２８２７６４号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
冷却水系流路内の空気溜りの発生を防止するためには、あるタイミングで冷却水系流路内の空気溜りの発生を防止できればよく、長期にわたる運転では常時脈動させる必要はない。
【００１１】
また、冷却水系流路内の空気溜りの発生を防止するために、起動時、運転時および停止時に、冷却水系流路に対して圧力変動および流動変動を複数回与えているが、冷却水系流路と水処理水系流路との両方の流路を用いたシステムではない。すなわち、冷却水系流路だけを考慮したシステムであって、水処理水系流路の空気溜りについては考慮されていない。具体的には、第１の冷却水タンクから水処理水ポンプおよびイオン交換樹脂を介して第２の冷却水タンクに冷却水が流れるときの気泡の発生や、水処理水系流路そのものの圧力損失の変化のことまでは考慮されていない。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、冷却水系流路と水処理水系流路との両方の流路に対して空気溜りの発生を防止または低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのスタック内冷却水流路からの冷却水を溜める第１の冷却水タンクと、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水から不純物イオンを取り除くイオン交換樹脂と、前記不純物イオンが取り除かれた前記冷却水を溜める第２の冷却水タンクと、前記第２の冷却水タンクから前記スタック内冷却水流路を通して前記第１の冷却水タンクに前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水を前記イオン交換樹脂から前記第２の冷却水タンクに循環させる水処理水ポンプと、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を第１の出力値に維持する第１処理と前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御する制御部と、を具備することを特徴とする。
【００１４】
また、実施形態の燃料電池発電システムの冷却方法は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのスタック内冷却水流路からの冷却水を溜める第１の冷却水タンクと、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水から不純物イオンを取り除くイオン交換樹脂と、前記不純物イオンが取り除かれた前記冷却水を溜める第２の冷却水タンクと、冷却水ポンプと、水処理水ポンプと、を具備する燃料電池発電システムの冷却方法において、前記冷却水ポンプが、前記第２の冷却水タンクから前記スタック内冷却水流路を通して前記第１の冷却水タンクに前記冷却水を循環させるステップと、前記水処理水ポンプが、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水を前記イオン交換樹脂から前記第２の冷却水タンクに循環させるステップと、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を第１の出力値に維持する第１処理と前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御するステップと、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、冷却水系流路と水処理水系流路との両方の流路に対して空気溜りの発生を防止または低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの制御部の動作を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図６】第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図７】第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部の動作を示すフローチャートである。
【図８】第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部の動作を示すフローチャートである。
【図９】図８の異常検出処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１８】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部７の動作を示すフローチャートである。図３は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートである。
【００１９】
図１に示されるように、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料電池スタック１と、冷却水ポンプ２と、燃料処理装置３と、複合冷却水タンク４と、水処理水ポンプ６と、中央制御部７と、冷却水ポンプ制御部８と、水処理水ポンプ制御部９と、冷却水系流路２０と、水処理水系流路６０と、を具備している。
【００２０】
燃料電池スタック１は、カソード極１１とスタック内冷却水流路１２とアノード極１３とを備えている。カソード極１１には、酸素を含む酸化剤ガス（空気）が供給される。アノード極１３には、水素を含む改質燃料ガスが供給される。燃料電池スタック１は、カソード極１１に供給される酸化剤ガスとアノード極１３に供給される改質燃料ガスとが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。
【００２１】
複合冷却水タンク４には仕切りが設けられ、複合冷却水タンク４は２つの冷却タンクに分けられている。２つの冷却タンクをそれぞれ第１の冷却水タンク４１および第２の冷却水タンク４２と称する。
【００２２】
冷却水系流路２０は、第２の冷却水タンク４２から冷却水ポンプ２およびスタック内冷却水流路１２を介して第１の冷却水タンク４１に通じる流路である。水処理水系流路６０は、第１の冷却水タンク４１から水処理水ポンプ６およびイオン交換樹脂５を介して第２の冷却水タンク４２に通じる流路である。
【００２３】
第１の冷却水タンク４１には、スタック内冷却水流路１２から冷却水系流路２０を介して冷却水が流れ、第１の冷却水タンク４１は、その冷却水を溜める。イオン交換樹脂５には、第１の冷却水タンク４１から水処理水系流路６０を介して冷却水が流れ、イオン交換樹脂５は、その冷却水から不純物イオンを取り除く。第２の冷却水タンク４２には、イオン交換樹脂５から水処理水系流路６０を介して不純物イオンが取り除かれた冷却水が流れ、第２の冷却水タンク４２は、その冷却水を溜める。
【００２４】
燃料処理装置３は、原燃料ガスと空気とを取り入れて、原燃料ガスと空気と燃料電池スタック１のアノード極１３から循環されたガス（残燃料ガス）と第２の冷却水タンク４２内の冷却水により、水素を含む改質燃料ガスを生成する。燃料処理装置３は、その改質燃料ガスを燃料電池スタック１のアノード極１３に供給する。
【００２５】
冷却水ポンプ２は、第２の冷却水タンク４２からスタック内冷却水流路１２を通して第１の冷却水タンク４１に冷却水を循環させる。水処理水ポンプ６は、第１の冷却水タンク４１内の冷却水をイオン交換樹脂５から第２の冷却水タンク４２に循環させる。
【００２６】
中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９は、ハードウェアまたはソフトウェアにより構成されている。たとえば、それらがソフトウェアである場合、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムは、さらに、コンピュータを具備し、そのコンピュータは、記憶部と、中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９との機能を有するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とを備えている。記憶部にはコンピュータプログラムが格納され、ＣＰＵは、コンピュータプログラムを記憶部から読み出して、そのコンピュータプログラムを実行する。
【００２７】
上述の中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９の動作について図２を参照して説明する。
【００２８】
中央制御部７は、システムが起動したとき（ステップＳ１）、後述する第１処理（ステップＳ２）と第２処理（ステップＳ３）とを行う。中央制御部７は、システムが運転停止しない場合（ステップＳ４−ＮＯ）、第１処理（ステップＳ２）と第２処理（ステップＳ３）とを交互に繰り返す。
【００２９】
第１処理において、中央制御部７は、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に設定するための第１制御信号７１をそれぞれ冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。このとき、冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第１制御信号７１に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する。
【００３０】
第２処理において、中央制御部７は、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第２の出力値に設定するための第２制御信号７２をそれぞれ冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第２制御信号７２に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する。
【００３１】
冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の空気溜りの発生を防止または低減するために、第２の出力値は、第１の出力値よりも高い値である。または、第２の出力値は、第１の出力値に対して脈動した値である。この場合、正弦波変動でも方形波変動でもよい。本実施形態では、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の特性や冷却水系流路２０および水処理水系流路６０の特性を考慮して、第１処理および第２処理に対する最適な値が決定され、その値が第１の出力値および第２の出力値として中央制御部７に予め設定されている。
【００３２】
第２処理は、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の空気溜りの発生を防止または低減するために設定されているため、長期にわたる運転では常時必要はない。そのため、図３に示されるように、第２処理の所要時間は、第１処理の所要時間よりもはるかに短い。
【００３３】
また、第１制御信号７１と第２制御信号７２とが切り替えられるタイミングは、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の特性や冷却水系流路２０および水処理水系流路６０の特性を考慮して決定され、中央制御部７に予め設定されている。この場合、図３に示されるように、第１制御信号７１と第２制御信号７２は定周期で切り替わる。すなわち、第１処理と第２処理は定周期で切り替わる。
【００３４】
このように、本実施形態によれば、中央制御部７、冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９により、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する第１処理と、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを交互に繰り返す。このため、長期間にわたって運転する場合、第２の冷却水タンク４２から冷却水ポンプ２およびスタック内冷却水流路１２を介して第１の冷却水タンク４１に通じる冷却水系流路２０と、第１の冷却水タンク４１から水処理水ポンプ６およびイオン交換樹脂５を介して第２の冷却水タンク４２に通じる水処理水系流路６０との両方の流路に対して、空気溜りの発生を防止または低減することができる。
【００３５】
［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部７の動作を示すフローチャートである。図５は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートである。
【００３６】
第２の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、空気溜りが発生しやすい時間を予め計測しておき、それを設定時間としてポンプ出力を変更する。本実施形態について、第１の実施形態からの変更点のみ説明する。
【００３７】
中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９の動作について図４を参照して説明する。
【００３８】
中央制御部７は、システムが起動したとき（ステップＳ１１）、第１設定時間が経過するまで（ステップＳ１３−ＮＯ）、上述の第１処理を行う（ステップＳ１２）。中央制御部７は、第１設定時間が経過した場合（ステップＳ１３−ＹＥＳ）、第２設定時間が経過するまで（ステップＳ１５−ＮＯ）、上述の第２処理を行う（ステップＳ１４）。中央制御部７は、第２設定時間が経過した場合（ステップＳ１５−ＹＥＳ）、システムが運転停止しない場合（ステップＳ１６−ＮＯ）、第１処理（ステップＳ１２）と第２処理（ステップＳ１４）とを交互に繰り返す。
【００３９】
第１処理において、中央制御部７は、第１制御信号７１を冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。このとき、冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第１制御信号７１に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する。
【００４０】
第２処理において、中央制御部７は、第２制御信号７２を冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第２制御信号７２に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第２の出力値に変更する。
【００４１】
第２処理は、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の空気溜りの発生を防止または低減するために設定されているため、長期にわたる運転では常時必要はない。そのため、図５に示されるように、第２設定時間は、第１設定時間よりもはるかに短い。
【００４２】
また、第１制御信号７１と第２制御信号７２とが切り替えられるタイミングは、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の特性や冷却水系流路２０および水処理水系流路６０の特性を考慮して決定され、中央制御部７に予め設定されている。たとえば、空気溜りが発生しやすい時間を予め計測しておき、この時間が５０００時間、１００００時間、１５０００時間、…である場合、これを第１設定時間として中央制御部７に予め設定しておく。
【００４３】
この場合、図３に示されるように、第２制御信号７２は、起動時、および、起動時から第１設定時間が経過する度に中央制御部７から出力され、第１制御信号７１は、第２設定時間が経過する度に中央制御部７から出力される。すなわち、第２処理は、起動時、および、起動時から第１設定時間が経過する度に第２設定時間だけ行われ、第１処理は、第２設定時間が経過する度に行われる。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、空気溜りが発生しやすい時間を予め計測しておき、それを設定時間としてポンプ出力を変更することにより、第１の実施形態に対して省電力化を図ることができる。
【００４５】
［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。図７は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部７の動作を示すフローチャート図である。
【００４６】
第３の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、空気溜りが発生する要因となるパラメータ（圧力および流量）をリアルタイムに計測し、その計測結果に基づいてポンプ出力を変更する。本実施形態について、第１および第２の実施形態からの変更点のみ説明する。
【００４７】
図６に示されるように、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムは、第１の実施形態の構成に対して、さらに、冷却水系監視部３１と、水処理水系監視部３２と、を具備している。
【００４８】
冷却水系監視部３１は、冷却水系流路２０内の冷却水の圧力を監視し、その監視結果を表す第１監視信号３３を出力する。水処理水系監視部３２は、水処理水系流路６０内の冷却水の圧力の値を監視し、その監視結果を表す第２監視信号３４を出力する。
【００４９】
冷却水系監視部３１および水処理水系監視部３２は、計測器３５を備えている。計測器３５は、たとえば、圧力スイッチ、圧力計および流量計の少なくとも１つの計測器である。
【００５０】
計測器３５が圧力スイッチである場合、冷却水系監視部３１の圧力スイッチは、冷却水系流路２０内の冷却水の圧力が許容範囲内ではないときに動作し、その旨を表す第１監視信号３３を中央制御部７に出力する。水処理水系監視部３２の圧力スイッチは、水処理水系流路６０内の冷却水の圧力が許容範囲内ではないときに動作し、その旨を表す第２監視信号３４を中央制御部７に出力する。たとえば、圧力スイッチが動作していない状態において、第１監視信号３３および第２監視信号３４が表す値を「０」とした場合、圧力スイッチが動作した状態においては、それぞれ、第１監視信号３３および第２監視信号３４が表す値を「１」とする。そこで、冷却水系監視部３１および水処理水系監視部３２の圧力スイッチの動作状態を表す第１許容範囲を上記「０」とし、中央制御部７には、その第１許容範囲「０」が所定の許容範囲として予め設定されている。
【００５１】
計測器３５が圧力計である場合、冷却水系監視部３１の圧力計は、冷却水系流路２０内の冷却水の圧力を計測し、その旨を表す第１監視信号３３を中央制御部７に出力する。水処理水系監視部３２の圧力計は、水処理水系流路６０内の冷却水の圧力を計測し、その旨を表す第２監視信号３４を中央制御部７に出力する。中央制御部７には、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の冷却水の圧力の許容範囲を表す第２許容範囲が所定の許容範囲として予め設定されている。
【００５２】
計測器３５が流量計である場合、冷却水系監視部３１の流量計は、冷却水系流路２０内の冷却水の流量を計測し、その旨を表す第１監視信号３３を中央制御部７に出力する。水処理水系監視部３２の流量計は、水処理水系流路６０内の冷却水の流量を計測し、その旨を表す第２監視信号３４を中央制御部７に出力する。中央制御部７には、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０内の冷却水の流量の許容範囲を表す第３許容範囲が所定の許容範囲として予め設定されている。
【００５３】
次に、中央制御部７と冷却水ポンプ制御部８と水処理水ポンプ制御部９の動作について図７を参照して説明する。ここで、圧力スイッチ、圧力計および流量計の具体例として、冷却水系監視部３１および水処理水系監視部３２の計測器３５は、圧力スイッチ、圧力計および流量計を含んでいるものとする。
【００５４】
中央制御部７は、システムが起動したとき（ステップＳ２１）、上述の第１処理を行う（ステップＳ２２）。
【００５５】
第１処理において、中央制御部７は、第１制御信号７１を冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。このとき、冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第１制御信号７１に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に維持する。
【００５６】
中央制御部７は、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値（圧力スイッチの動作状態、圧力および流量）および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値（圧力スイッチの動作状態、圧力および流量）が、それぞれ、所定の許容範囲（第１許容範囲「０」、第２許容範囲および第３許容範囲）内である場合（ステップＳ２３−ＹＥＳ）、第１処理を継続する（ステップＳ２２）。また、中央制御部７は、第１監視信号３３が表す値および第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にない状態でも、その状態を第３設定時間継続しない場合（ステップＳ２３−ＮＯ、Ｓ２４−ＮＯ）、第１処理を継続する（ステップＳ２２）。
【００５７】
中央制御部７は、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値のうちの少なくとも一方の値が許容範囲内にない状態であり、その状態を第３設定時間継続しているときに（ステップＳ２３−ＮＯ、Ｓ２４−ＹＥＳ）、システムが運転停止しない場合（ステップＳ２５−ＮＯ）、上述の第２処理を行う（ステップＳ２６）。第３設定時間は、通常、前述の第１設定時間よりもはるかに短い。
【００５８】
第２処理において、中央制御部７は、第２制御信号７２を冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９に出力する。冷却水ポンプ制御部８および水処理水ポンプ制御部９は、第２制御信号７２に応じて、それぞれ冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第２の出力値に変更する。
【００５９】
中央制御部７は、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値のうちの少なくとも一方の値が許容範囲内にない状態である場合（ステップＳ２７−ＮＯ）、第２処理を継続する（ステップＳ２６）。中央制御部７は、第１監視信号３３が表す値および第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にある状態であり、その状態を第４設定時間継続していないときに、システムが運転停止しない場合（ステップＳ２９−ＮＯ）、第２処理を継続する（ステップＳ２６）。
【００６０】
中央制御部７は、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にある状態であり、その状態を第４設定時間継続した場合（ステップＳ２７−ＹＥＳ、Ｓ２８−ＹＥＳ）、第１処理として、冷却水ポンプ２および水処理水ポンプ６の出力を第１の出力値に復帰させる（ステップＳ２２）。第４設定時間は、通常、前述の第１設定時間よりもはるかに短い。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、空気溜りが発生する要因となるパラメータ（圧力および流量）をリアルタイムに計測し、その計測結果に基づいてポンプ出力を変更することにより、第１および第２の実施形態に対して省電力化を図ることができる上に、第１および第２の実施形態よりも空気溜りを確実に抑制することができる。
【００６２】
［第４の実施形態］
図８は、第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの中央制御部７の動作を示すフローチャートである。図９は、図８の異常検出処理を示すフローチャートである。
【００６３】
第４の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、第２処理が行われたときに冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にある状態を第５設定時間継続できない場合、ポンプや流路に異常があるものと判断し、その旨を表す異常判断結果を出力し、システムの運転を停止させる。本実施形態について、第１〜第３の実施形態からの変更点のみ説明する。
【００６４】
第３の実施形態では、中央制御部７は、第２処理を行ったときに（ステップＳ２６）、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値のうちの少なくとも一方の値が許容範囲内にない状態である場合（ステップＳ２７−ＮＯ）、第２処理を継続している（ステップＳ２６）。
【００６５】
一方、本実施形態では、図８に示されるように、中央制御部７は、第２処理を行ったときに（ステップＳ２６）、冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値のうちの少なくとも一方の値が許容範囲内にない状態である場合（ステップＳ２７−ＮＯ）、後述する異常検出処理を行う（ステップＳ３０）。
【００６６】
図８および図９に示されるように、中央制御部７は、異常検出処理において上述の状態を第５設定時間継続していない場合（ステップＳ３１−ＮＯ）、第２処理を継続する（ステップＳ２６）。
【００６７】
一方、中央制御部７は、異常検出処理において上述の状態を第５設定時間継続している場合（ステップＳ３１−ＹＥＳ）、冷却水ポンプ２、水処理水ポンプ６、冷却水系流路２０および水処理水系流路６０の少なくとも１つに異常があるものと判断し、その旨を表す異常判断結果を生成し、その異常判断結果を出力装置に出力する（ステップＳ３２）。出力装置としては、表示装置、印刷装置および記憶装置が例示される。
【００６８】
中央制御部７は、異常判断結果を出力装置に出力した後、または、同時に、速やかにシステムの運転を停止させる（ステップＳ３３）。
【００６９】
このように、本実施形態によれば、第２処理が行われたときに冷却水系監視部３１からの第１監視信号３３が表す値および水処理水系監視部３２からの第２監視信号３４が表す値が許容範囲内にある状態を第５設定時間継続できない場合、ポンプや流路に異常があるものと判断し、その旨を表す異常判断結果を出力することにより、空気溜りの原因がポンプや流路の異常という旨を迅速に通知することができる。また、システムの運転を停止させることにより、ポンプや流路に異常が発生した場合でも安全性を確保できる。
【００７０】
［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、また各実施形態の特徴を組み合わせることができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１ … 燃料電池スタック
２ … 冷却水ポンプ
３ … 燃料処理装置
４ … 複合冷却水タンク
５ … イオン交換樹脂
６ … 水処理水ポンプ
７ … 中央制御部
８ … 冷却水ポンプ制御部
９ … 水処理水ポンプ制御部
１１ … カソード極
１２ … スタック内冷却水流路
１３ … アノード極
２０ … 冷却水系流路
３１ … 冷却水系監視部
３２ … 水処理水系監視部
３３ … 第１監視信号
３４ … 第２監視信号
３５ … 計測器（圧力スイッチ、圧力計および流量計）
４１ … 第１の冷却水タンク
４２ … 第２の冷却水タンク
６０ … 水処理水系流路
７１ … 第１制御信号
７２ … 第２制御信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの冷却水流路であるスタック内冷却水流路からの冷却水を溜める第１の冷却水タンクと、
前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水から不純物イオンを取り除くイオン交換樹脂と、
前記不純物イオンが取り除かれた前記冷却水を溜める第２の冷却水タンクと、
前記第２の冷却水タンクから前記燃料電池スタックの冷却水流路を通して前記第１の冷却水タンクに前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、
前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水を前記イオン交換樹脂から前記第２の冷却水タンクに循環させる水処理水ポンプと、
前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を第１の出力値に維持する第１処理と、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御する制御部と、
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第２処理の所要時間は、前記第１処理の所要時間よりも短く、
前記第１処理と前記第２処理とを交互に繰り返し、
前記第１処理と前記第２処理は、定周期で切り替わる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第２処理は、起動時から第１設定時間が経過する度に、前記第１設定時間よりも短い第２設定時間だけ行われ、
前記第１処理は、前記第２設定時間が経過する度に行われる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記第２の冷却水タンクから前記冷却水ポンプおよび前記燃料電池スタックの冷却水流路を介して前記第１の冷却水タンクに通じる冷却水系流路と、
前記第１の冷却水タンクから前記水処理水ポンプおよび前記イオン交換樹脂を介して前記第２の冷却水タンクに通じる水処理水系流路と、
前記冷却水系流路内の前記冷却水の圧力および流量の少なくとも一方の値を表す第１監視信号を前記制御部に出力する冷却水系監視部と、
前記水処理水系流路内の前記冷却水の圧力および流量の少なくとも一方の値を表す第２監視信号を前記制御部に出力する水処理水系監視部と、
をさらに具備し、
前記制御部は、
前記第１監視信号および前記第２監視信号が表す値のうちの少なくとも一方の値が所定の許容範囲内にない状態を第３設定時間継続した場合、前記第２処理として、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値から前記第２の出力値に変更し、
前記第１監視信号および前記第２監視信号が表す値が前記許容範囲内にある状態を第４設定時間継続した場合、前記第１処理として、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値に復帰させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記冷却水系監視部および前記水処理水系監視部は、
それぞれ、前記冷却水系流路および前記水処理水系流路内の前記冷却水の圧力が前記許容範囲内ではないときに動作し、その旨を表す値を前記第１監視信号および前記第２監視信号として出力する圧力スイッチ、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記冷却水系監視部および前記水処理水系監視部は、
それぞれ、前記冷却水系流路、前記水処理水系流路内の前記冷却水の圧力を計測し、その値を前記第１監視信号および前記第２監視信号として出力する圧力計、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記冷却水系監視部および前記水処理水系監視部は、
それぞれ、前記冷却水系流路、前記水処理水系流路内の前記冷却水の流量を計測し、その値を前記第１監視信号および前記第２監視信号として出力する流量計、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記制御部は、
前記第２処理が行われたときに前記第１監視信号および前記第２監視信号が表す値が前記許容範囲内にある状態を第５設定時間継続できない場合、前記冷却水ポンプ、前記水処理水ポンプ、前記冷却水系流路および前記水処理水系流路の少なくとも１つに異常があるものと判断し、その旨を表す異常判断結果を出力し、システムの運転を停止させる、
ことを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの冷却水流路からの冷却水を溜める第１の冷却水タンクと、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水から不純物イオンを取り除くイオン交換樹脂と、前記不純物イオンが取り除かれた前記冷却水を溜める第２の冷却水タンクと、冷却水ポンプと、水処理水ポンプと、を具備する燃料電池発電システムの冷却方法において、
前記冷却水ポンプが、前記第２の冷却水タンクから前記燃料電池スタックの冷却水流路を通して前記第１の冷却水タンクに前記冷却水を循環させるステップと、
前記水処理水ポンプが、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水を前記イオン交換樹脂から前記第２の冷却水タンクに循環させるステップと、
前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を第１の出力値に維持する第１処理と、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御するステップと、
を具備することを特徴とする燃料電池発電システムの冷却方法。
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの冷却水流路であるスタック内冷却水流路からの冷却水を溜める第１の冷却水タンクと、
前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水から不純物イオンを取り除くイオン交換樹脂と、
前記不純物イオンが取り除かれた前記冷却水を溜める第２の冷却水タンクと、
前記第２の冷却水タンクから前記燃料電池スタックの冷却水流路を通して前記第１の冷却水タンクに前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、
前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水を前記イオン交換樹脂から前記第２の冷却水タンクに循環させる水処理水ポンプと、
前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を第１の出力値に維持する第１処理と、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御する制御部と、
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第２処理の所要時間は、前記第１処理の所要時間よりも短く、
前記第１処理と前記第２処理とを交互に繰り返し、
前記第１処理と前記第２処理は、定周期で切り替わる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第２処理は、起動時から第１設定時間が経過する度に、前記第１設定時間よりも短い第２設定時間だけ行われ、
前記第１処理は、前記第２設定時間が経過する度に行われる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記第２の冷却水タンクから前記冷却水ポンプおよび前記燃料電池スタックの冷却水流路を介して前記第１の冷却水タンクに通じる冷却水系流路と、
前記第１の冷却水タンクから前記水処理水ポンプおよび前記イオン交換樹脂を介して前記第２の冷却水タンクに通じる水処理水系流路と、
前記冷却水系流路内の前記冷却水の圧力および流量の少なくとも一方の値を表す第１監視信号を前記制御部に出力する冷却水系監視部と、
前記水処理水系流路内の前記冷却水の圧力および流量の少なくとも一方の値を表す第２監視信号を前記制御部に出力する水処理水系監視部と、
をさらに具備し、
前記制御部は、
前記第１監視信号および前記第２監視信号が表す値のうちの少なくとも一方の値が所定の許容範囲内にない状態を第３設定時間継続した場合、前記第２処理として、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値から前記第２の出力値に変更し、
前記第１監視信号および前記第２監視信号が表す値が前記許容範囲内にある状態を第４設定時間継続した場合、前記第１処理として、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値に復帰させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記冷却水系監視部および前記水処理水系監視部は、
それぞれ、前記冷却水系流路および前記水処理水系流路内の前記冷却水の圧力が前記許容範囲内ではないときに動作し、その旨を表す値を前記第１監視信号および前記第２監視信号として出力する圧力スイッチ、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記冷却水系監視部および前記水処理水系監視部は、
それぞれ、前記冷却水系流路、前記水処理水系流路内の前記冷却水の圧力を計測し、その値を前記第１監視信号および前記第２監視信号として出力する圧力計、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記冷却水系監視部および前記水処理水系監視部は、
それぞれ、前記冷却水系流路、前記水処理水系流路内の前記冷却水の流量を計測し、その値を前記第１監視信号および前記第２監視信号として出力する流量計、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記制御部は、
前記第２処理が行われたときに前記第１監視信号および前記第２監視信号が表す値が前記許容範囲内にある状態を第５設定時間継続できない場合、前記冷却水ポンプ、前記水処理水ポンプ、前記冷却水系流路および前記水処理水系流路の少なくとも１つに異常があるものと判断し、その旨を表す異常判断結果を出力し、システムの運転を停止させる、
ことを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの冷却水流路からの冷却水を溜める第１の冷却水タンクと、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水から不純物イオンを取り除くイオン交換樹脂と、前記不純物イオンが取り除かれた前記冷却水を溜める第２の冷却水タンクと、冷却水ポンプと、水処理水ポンプと、を具備する燃料電池発電システムの冷却方法において、
前記冷却水ポンプが、前記第２の冷却水タンクから前記燃料電池スタックの冷却水流路を通して前記第１の冷却水タンクに前記冷却水を循環させるステップと、
前記水処理水ポンプが、前記第１の冷却水タンク内の前記冷却水を前記イオン交換樹脂から前記第２の冷却水タンクに循環させるステップと、
前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を第１の出力値に維持する第１処理と、前記冷却水ポンプおよび前記水処理水ポンプの出力を前記第１の出力値とは異なる第２の出力値に変更する第２処理とを実行するのを制御するステップと、
を具備することを特徴とする燃料電池発電システムの冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−３０２９５（Ｐ２０１３−３０２９５Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３９６６（Ｐ２０１１−１６３９６６）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]