(57)【要約】【課題】冷却水循環経路への水張り工程を確実に完了すること。【解決手段】燃料と酸化剤とを反応させて発電を行い発電により発生する熱を吸収するための冷却水が流通する燃料電池２と、循環経路３と、循環ポンプ４と、冷却水タンク５と、熱交換器６と、循環ポンプ４内部に循環ポンプ４の回転数を検知する回転検知器１４を備え、循環ポンプ４の回転数を検出することで、循環経路３への冷却水の充填が完了したことを検知することができ、水張り工程後の燃料電池の発電時に、燃料電池の温度制御を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とを反応させて発電を行い、発電により発生する熱を吸収するための冷却水が流通する燃料電池と、
前記冷却水を循環するための循環経路と、
前記循環経路に配置され、前記冷却水を蓄えるための冷却水タンクと、
前記循環経路に配置され、前記冷却水を循環させる第１ポンプと、
前記第１ポンプの回転数を検知する回転数検知器と、
制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記循環経路に水を供給する水張り工程において、前記第１ポンプを予め定められる能力値で動作させている状態において前記回転数検知器が予め定められる第１閾値以下を検知した場合に前記水張り工程が完了したと検知する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記能力値は、前記水張り工程が完了する前では前記第１ポンプの回転数が前記第１閾値より大きくなり、前記水張り工程が完了した後では前記第１ポンプの回転数が前記第１閾値以下に設定されている、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記回転数検知器が前記第１閾値より大きい第２閾値以上であることを検知した場合、前記第１ポンプを一旦停止し再度動作させることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記循環経路から分岐して構成され、前記循環経路内の前記冷却水を排出するための分岐経路と、
前記分岐経路に配置される冷却水排出手段と、
をさらに備え、
前記制御器は、前記水張り工程において、前記第１ポンプを動作させた後も前記回転数検知器が前記第１閾値より大きい第３閾値を検知している場合は、前記第１ポンプを停止させて前記冷却水排出手段を動作させる、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却水排出手段は、循環経路の冷却水を抜くための開閉弁であることを特徴とする、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷却水排出手段は、循環経路の冷却水を抜くための第２ポンプであることを特徴とする、
請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御器は、前記水張り工程において、前記回転数検知器が前記第１閾値以下を検知した場合は前記水張り工程の後に行われる発電工程に移行し、前記回転数検知器が前記第１閾値より大きい値を検知している場合は異常の報知を行う、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の冷却水経路に確実に水を張ることができる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムには、水素ガスを主成分とする燃料ガス中の水素と空気中の酸素による発熱反応である電気化学反応による発電する燃料電池が組み込まれている。燃料電池の発電中は、発熱反応が進行するので、燃料電池の発電中の運転温度が、その反応に適した温度（例えば６０℃〜８０℃程度）に維持されるように、燃料電池の内部温度を一定に保つ運転制御が行われている。例えば、燃料電池に冷却水を流す冷却水経路が備えられ、当該経路を流れる冷却水の流量を制御することにより、燃料電池の内部温度が調整されている（例えば、特許文献１参照）。図５は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【０００３】
図５に示すように、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池１０２と、燃料電池１０２から発生した熱を回収する冷却水を流す循環経路１０３と、循環経路１０３に設けられ冷却水を循環する循環ポンプ１０４と、循環経路１０３に設けられ冷却水を蓄える冷却水タンク１０５と、循環経路１０３に設けられ冷却水の排熱を回収する熱交換器１０６と、循環経路１０３から分岐して水素生成器１２２に水を供給する改質水ポンプ１２４から構成されている。
【０００４】
循環ポンプ１０４は、循環量を微量に制御する必要があり、高揚程のものを使用することができず、また、連続使用に耐えるため自給能力はないが耐久性のある遠心式ポンプが使用されている。循環経路１０３に早期に水を充填するために、循環ポンプ１０４と改質水ポンプ１２４を動作していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１１９０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、循環経路１０３に初めて水を充填する水張り工程の際に、循環経路１０３から空気が溜まっていることを検知できないため、循環経路１０３に空気が溜まった状態で水張り工程を完了することがあり、水張り工程後の燃料電池１０２の発電時に、循環経路１０３に空気が溜まることにより燃料電池１０２の温度制御が不安定になり、運転を継続できない課題を有していることが新たに分かった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するもので、水張り工程時に循環経路１０３から空気が抜けたことを検知することで循環経路１０３の水張りを確実に行うことができ、水張り工程後の燃料電池１０２の発電時に、燃料電池１０２の温度制御を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とを反応させて発電を行い、発電により発生する熱を吸収するための冷却水が流通する燃料電池と、冷却水を循環するための循環経路と、循環経路に配置され、冷却水を蓄えるための冷却水タンクと、循環経路に配置され
冷却水を循環させる第１ポンプと、第１ポンプの回転数を検知する回転数検知器と、制御器と、を備える。これによって、制御器は、循環経路に水を供給する水張り工程において、予め定められる第１能力値で動作させている状態において、回転数検知器が予め定められる第１閾値以下を検知した場合に、循環経路１０３から空気が抜けたことを検知でき、水張り工程を完了することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、水張り工程時に回転数検知器の回転数により循環経路への冷却水の充填が完了したことを検知することで、循環経路１０３の水張りを確実に行うことができ、水張り工程後の燃料電池の発電時に、燃料電池の温度制御を行うことが出来る燃料電池システムを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略図
【図２】本発明の実施の形態１における循環経路の水張り工程の動作フロー図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略図
【図４】本発明の実施の形態２における循環経路の水張り工程の動作フロー図
【図５】従来の燃料電池システムの概略図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、燃料と酸化剤とを反応させて発電を行い、発電により発生する熱を吸収するための冷却水が流通する燃料電池と、冷却水を循環するための循環経路と、循環経路に配置され、冷却水を蓄えるための冷却水タンクと、循環経路に配置され冷却水を循環させる第１ポンプと、第１ポンプの回転数を検知する回転数検知器と、制御器と、を備える。
【００１２】
これによって、遠心式ポンプを使用した第１ポンプに水が充填していないときに、予め定められる能力値で第１ポンプを動作させると、第１ポンプの回転数は空転により増加することから、第１閾値を第１ポンプが空転していない回転数より低く設定することで、制御器は確実に水張り工程が完了することを検知できる。
【００１３】
第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムの能力値は、水張り工程が完了する前では第１ポンプの回転数が第１閾値より大きくなり、水張り工程が完了した後では第１ポンプの回転数が第１閾値以下に設定する。これによって、制御器は、確実に循環経路に空気が溜まっていること、および、空気が抜けて水張り工程が完了することを検知できる。
【００１４】
第３の発明は、特に、第１〜第２の発明の燃料電池システムの制御器は、回転数検知器が第１閾値より大きい第２閾値以上であることを検知した場合、第１ポンプを一旦停止し再度動作させる。これによって、第１ポンプが空転していることを検知すれば、より高い操作量で第１ポンプを動作させることで、循環経路に溜まった空気を抜きやすくなり、より確実に循環経路から空気が抜くことができる。
【００１５】
第４の発明は、特に、第１〜第２の発明の燃料電池システムは、循環経路から分岐して構成され、循環経路内の前記冷却水を排出するための分岐経路と、分岐経路に配置される冷却水排出手段とをさらに備える。これによって、制御器は第１ポンプが空転していることを回転数検知器により第１閾値より大きい第３閾値で検知すれば、第１ポンプを停止させて冷却水排出手段を動作させることで、循環経路に溜まっている空気を冷却水と一緒に抜くことができる。そのため、より確実に循環経路から空気が抜くことができる。
【００１６】
第５の発明は、特に、第４の発明の冷却水排出手段は開閉弁である。これによって、制御器は第１ポンプが空転していることを回転数検知器により第１閾値より大きい第３閾値で検知すれば、第１ポンプを停止させて開閉弁を開放させることで、循環経路に溜まっている空気を冷却水と共に抜くことができる。そのため、より確実に循環経路から空気が抜くことができる。
【００１７】
第６の発明は、特に、第４又は第５の発明の循環経路の水を抜くための第２ポンプである。これによって、制御器は第１ポンプが空転していることを回転数検知器により第１閾値より大きい第３閾値で検知すれば、第１ポンプを停止させて第２ポンプを動作させることで、循環経路に溜まっている空気を冷却水と共に抜くことができる。そのため、より確実に循環経路から空気が抜くことができる。
【００１８】
第７の発明は、特に、第１〜第６の発明の燃料電池システムの制御器は、水張り工程において、回転数検知器が第１閾値以下を検知した場合は水張り工程の後に行われる発電工程に移行し、回転数検知器が前記第１閾値より大きい値を検知している場合は異常の報知を行う。これによって、制御器は、第１ポンプが空転していることを検知できることから、循環経路が異常であることを報知することができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成例を示したブロック図を示すものである。
【００２２】
図１において、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池２と、発電時に発生する熱を回収する冷却水を通流する循環経路３と、燃料電池２の出口側に配置され循環経路３を通流する循環ポンプ４と、循環経路３の循環ポンプ４の出口側に配置され冷却水を貯える冷却水タンク５と、循環経路３の冷却水タンク５の出口側に配置され燃料電池２により加熱された冷却水を冷却し熱媒体として排熱回収水に伝達する熱交換器６と、循環経路３に配置され燃料電池２の出口部の冷却水温度を検知する冷却水温度センサ７とが設けられている。
【００２３】
また、冷却水タンク５には、冷却水の水位を検知する水位センサ８と、冷却水タンク５の高部に備えオーバーフローした冷却水を排水する排水口９とが設けられている。また、冷却水タンク５は、循環経路３に溜まっていた空気を抜けるようにするために最高部に設ける。
【００２４】
また、燃料電池２から排出される排空気及び排ガスに含まれる水を凝縮させた凝縮水を貯える凝縮水タンク１０と、凝縮水タンク１０内の水を冷却水タンク５へ流す冷却水供給経路１１と、冷却水供給経路１１に配置され冷却水タンク５へ供給させる冷却水供給ポンプ１２と、冷却水タンク５の排水口９から凝縮水タンク１０に冷却水を戻す排水経路１３とが設けられている。
【００２５】
ここで、冷却水タンク５、排水口９、排水経路１３、ならびに凝縮水タンク１０を通じて大気開放されている。冷却水タンク５は循環経路３に溜まった空気を気液分離することで抜けるために最高部に設置するのが好ましい。
【００２６】
循環ポンプ４は、自給能力をもたない遠心式ポンプであり、循環ポンプ４内部に循環ポ
ンプの回転数を検知する回転検知器１４を備えている。また、循環ポンプ４の下流口は、循環ポンプ４に溜まった空気を抜くように、上向きにするのが好ましい。
【００２７】
制御器１５は、少なくとも、循環ポンプ４、冷却水供給ポンプ１２を制御し、冷却水温度センサ７による冷却水温度、水位センサ８による冷却水の有無および回転検知器１４による循環ポンプ４の回転数を検知する。
【００２８】
なお、本実施の形態の構成部材である循環ポンプ４は、第１ポンプの具体的な実施の一例である。
【００２９】
まず、本実施の形態における燃料電池システム１の具体的動作を説明する。
【００３０】
燃料電池システム１は、水素を多く含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池２に供給することにより発電を行う。燃料電池２での発電では直流電力が出力される。出力された直流電力はインバータにより交流電力に変換された後、電力系統と連系し、負荷に電力供給する（図示しない）。
【００３１】
一方、燃料電池２では、発電の際に同時に熱も生成される。燃料電池２を通流する冷却水は循環経路３を通じて、循環ポンプ４を作動させることにより、燃料電池２に供給されて、燃料電池２の内部での熱交換により燃料電池２を冷却する。ここで、制御器１５は、冷却水温度センサ７の温度が例えば７０℃程度になるように循環ポンプ４の能力値によりフィードバック制御を行う。
【００３２】
次に、図２のフローチャートにより、循環経路３の水張り工程を説明する。
【００３３】
循環経路３の水張り工程が開始すると、はじめに、制御器１５は、冷却水供給ポンプ１２を起動させ、凝縮水タンク１０に貯えられた水を汲み上げる（ステップＳ１０１）。ここで、水位センサ８が「水あり」を検知した場合（ステップＳ１０２でＹｅｓ）、冷却水供給ポンプ１２を停止する（ステップＳ１０３）。
【００３４】
燃料電池２および熱交換器６はその性能を得るために大きな通水抵抗を持っており、冷却水タンク５に冷却水が補給しても、循環経路３にエアが溜まり冷却水を充填することができない。そのため、循環ポンプ４を動作させて、揚程を増加させることで、循環経路３のエア抜き動作を行う（ステップＳ１０４）。
【００３５】
循環経路３に空気が溜まり、循環ポンプ４に水が満たされていない場合、循環ポンプ４は空転し、回転検知器１４が検知する循環ポンプ４の回転数が増加する。ここで、循環ポンプ４が空転していない回転数をＸ（ＲＰＭ）とすると、回転検知器１４が検知する回転数がＸ（ＲＰＭ）以下であることを検知した場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、循環ポンプ４が空転していないと判断し、循環ポンプ４を停止させて（ステップＳ１０６）、循環経路３の水張り工程を終了し、発電工程に移行する。ここで、発電工程とは、燃料電池システム１の起動動作、発電動作、停止動作のことである。
【００３６】
循環ポンプ４を所定時間動作させても、回転数がＸ（ＲＰＭ）より大きいＹ（ＲＰＭ）であることを検知した場合（ステップＳ１０５でＮｏ、ステップ１０７でＹｅｓ）、循環ポンプ４を一旦停止させて、循環ポンプ４を再度動作させる動作を行う（ステップＳ１０８）。
【００３７】
ここで、循環ポンプ４を一旦停止させるのは、循環ポンプ４動作中には、空気がの循環ポンプ４の中心に溜まるが、循環ポンプ４停止させることで、ポンプの中心に溜まった空
気を抜くためである。
【００３８】
ここで、判定回転数Ｙ回転は、ステップＳ１０５での判定回転数Ｘ（ＲＰＭ）以上とし、循環経路３から確実に空気を抜くためには、回転数を低くしてＸ（ＲＰＭ）と同等にするのが好ましい。
【００３９】
ここで回転数がＸ（ＲＰＭ）以下であることを検知した場合（ステップＳ１０９でＹｅｓ）、循環ポンプ４が空転していないと判断し、循環経路３の水張り工程を終了し、発電工程に移行する。
【００４０】
また、回転数がＸ（ＲＰＭ）以下にならない場合（ステップＳ１０９でＮｏ）、循環ポンプ４を停止させて（ステップＳ１１０）、循環経路３が異常であることを報知して、循環経路３の水張り工程を終了する。
【００４１】
以上のように、回転検知器１４が検知する回転数がＸ（ＲＰＭ）以下であることを検知することで、循環ポンプ４が空転していない回転数であることから、確実に水張り工程が完了できる。
【００４２】
また、循環ポンプ４を所定時間動作させても、回転数がＹ（ＲＰＭ）より大きいＹ回転であり、循環ポンプ４が空転していることを検知すれば、循環ポンプ４を一旦停止し再度動作させることで、循環ポンプ４停止中に循環ポンプ４の下流口から空気を抜くことができることから、循環経路３に確実に冷却水の充填を実現でき、より確実に循環経路３から空気が抜くことができる。
【００４３】
また、循環ポンプ４を一旦停止し再度動作させても、回転数がＸ（ＲＰＭ）以上であり、循環ポンプ４が空転していることを検知すれば、循環経路３が異常であることを報知することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成例を示したブロック図を示すものである。
【００４５】
なお、図３において、図１と互いに同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
【００４６】
図３に示すように燃料電池システム２１は図１に示す燃料電池システム１と比較して、原料ガスを改質して水素を多く含む燃料ガスに変換する水素生成器２２を備える点で異なる。また、循環経路３の最低部であり、燃料電池２の出口側から分岐する分岐経路として、水素生成器２２に水を供給する改質水経路２３と、水素生成器２２に水を供給する供給ポンプとして改質水ポンプ２４と、改質水経路２３の改質水ポンプ２４の出口側から分岐して凝縮水タンク１０とを接続する分岐エア抜き経路２５と、改質水経路２３の分岐エア抜き経路２５との分岐部の出口側に備えられた改質水弁２６と、分岐エア抜き経路２５に備えられた分岐エア抜き弁２７とが備えられている。
【００４７】
なお、本実施の形態の構成部材である改質水経路２３、改質水弁２６、ならびに、改質水ポンプ２４は、各々、分岐経路、開閉弁、ならびに第２ポンプの具体的な実施の一例である。
【００４８】
次に、図４のフローチャートにより、循環経路３の水張り工程を説明する。
【００４９】
循環経路３の水張り工程が開始すると、はじめに、制御器１５は、冷却水供給ポンプ１２を動作させ、凝縮水タンク１０に貯えられた水を汲み上げる（ステップＳ２０１）。ここで、水位センサ８が「水あり」を検知した場合（ステップＳ２０２でＹｅｓ）、冷却水供給ポンプ１２を停止する（ステップＳ２０３）。
【００５０】
燃料電池２および熱交換器６はその性能を得るために大きな通水抵抗を持っており、冷却水タンク５に冷却水が補給しても、循環経路３にエアが溜まり冷却水を充填することができない。そのため、循環ポンプ４を動作させて、揚程を増加させることで、循環経路３のエア抜き動作を行う（ステップＳ２０４）。
【００５１】
循環経路３に空気が溜まり、循環ポンプ４に水が満たされていない場合、循環ポンプ４は空転し、回転検知器１４が検知する循環ポンプ４の回転数が増加する。ここで、循環ポンプ４に十分に冷却水が充填している時の回転数をＸ（ＲＰＭ）とすると、回転検知器１４が検知する回転数がＸ（ＲＰＭ）以下であることを検知した場合（ステップＳ２０５でＹｅｓ）、循環経路３に水が充填されたと判断し、循環ポンプ４を停止させて（ステップＳ１０６）、循環経路３の水張り工程を終了する。
【００５２】
循環ポンプ４を所定時間動作させても、回転数がＺ（ＲＰＭ）以下にならない場合（ステップＳ２０７でＹｅｓ）、循環ポンプ４を停止させて、改質水弁２６を開放して、循環経路３の冷却水と空気を同時に凝縮水タンク１０に導くことで、循環経路３の特に循環ポンプ４の入口に溜まっている空気を抜くことができる。
【００５３】
ここで、回転数Ｚ（ＲＰＭ）は、ステップＳ２０５での回転数Ｘ（ＲＰＭ）以上とし、循環経路３から確実に空気を抜くためには、回転数を低くしてＸ（ＲＰＭ）と同等にするのが好ましい。
【００５４】
このように、改質水弁２６を開放させることで、循環経路３に残っている空気を抜き（ステップＳ２０９）、所定時間経過後（ステップＳ２１０でＹｅｓ）、改質水ポンプ２４を停止し改質水弁２６を閉止し（ステップＳ２１１）、再度、冷却水供給ポンプ１２を動作させ、凝縮水タンク１０に貯えられた水を汲み上げて（ステップＳ２０１）、循環経路３の水張り工程を再度実施する。
【００５５】
改質水弁２６を開放／閉止後に、循環ポンプ４を所定時間動作させても回転数がＸ（ＲＰＭ）以下にならない場合（ステップＳ２０８でＹｅｓ）、循環ポンプ４を停止させて（ステップＳ２１４）、循環経路３が異常であることを報知して、循環経路３の水張り工程を終了する。
【００５６】
以上のように、循環ポンプ４を所定時間動作させても、回転数がＸ（ＲＰＭ）以下であり、循環ポンプ４が空転していることを検知すれば、改質水弁２６を開放させることで、循環経路３に溜まっている空気を確実に抜くことができ、水張り工程後の燃料電池２の発電時に、燃料電池２の温度制御を行うことができる。
【００５７】
なお、改質水弁２６開放時に改質水ポンプ２４を動作させるのがより好ましい。改質水ポンプ２４を動作させることで、循環経路３に溜まっている空気を冷却水と共により抜けやすくなるためである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、冷却水循環経路への冷却水の充填が完了したことを検知することができるので、燃料電池システム等に有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１、２１  燃料電池システム
２、１０２  燃料電池
３、１０３  循環経路
４、１０４  循環ポンプ
５、１０５  冷却水タンク
６、１０６  熱交換器
７  冷却水温度センサ
８  水位センサ
９  排水口
１０  凝縮水タンク
１１  冷却水供給経路
１２  冷却水供給ポンプ
１３  排水経路
１４  回転検知器
１５  制御器
２２、１２２  水素生成器
２３  改質水経路
２４、１２４  改質水ポンプ
２５  分岐エア抜き経路
２６  改質水弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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