(57)【要約】【課題】改質器に水を供給するための経路に設けられた開閉弁の不具合を速やかに発見するための技術を提供する。【解決手段】本開示の水素生成装置（２００）は、改質器（１１）、第１タンク（１５）、第１水経路（１７）、第２水経路（１９）及び制御器（４１）を備えている。第１水経路（１７）にポンプ（２５）及び第１開閉弁（２７）が設けられている。第２水経路（１９）にヒータ（２９）が設けられている。第１タンク（１５）には第１温度センサ（２１）が配置されている。改質器（１１）の運転待機期間において、第１開閉弁（２７）を閉じ、ポンプ（２５）を作動させ、ヒータ（２９）によって第２水経路（１９）の水を加熱する。第１タンク（１５）の水温が所定の温度上昇条件を満たさないとき、第１開閉弁（２７）が開状態で固定されていることを外部に通知する及び／又は改質器（１１）の運転を禁止する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器と、
前記改質器に供給されるべき水を貯留する第１タンクと、
前記第１タンクから前記改質器まで延びている第１水経路と、
所定の分岐位置において前記第１水経路から分岐し、前記第１タンクまで延びている第２水経路と、
前記第１タンクと前記分岐位置との間において前記第１水経路に設けられたポンプと、
前記分岐位置と前記改質器との間において前記第１水経路に設けられた第１開閉弁と、
前記第２水経路に設けられたヒータと、
前記第１タンクに配置された第１温度センサと、
前記改質器の運転待機期間において、前記第１開閉弁を閉じるように制御するとともに、前記ポンプを作動させつつ前記ヒータによって前記第２水経路の前記水を加熱し、前記第１温度センサによって検出された前記第１タンクの水温が所定の温度上昇条件を満たさないとき、前記第１開閉弁が開状態で固定されていることを外部に通知する処理及び前記改質器の運転を禁止する処理から選ばれる少なくとも１つの処理を実行する制御器と、
を備えた、水素生成装置。
【請求項２】
周囲温度を検出する第２温度センサをさらに備え、
前記制御器は、前記第２温度センサによって検出された前記周囲温度が閾値温度を下回ったとき、前記ポンプを作動させつつ前記ヒータによって前記第２水経路の前記水を加熱する処理を実行する、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記所定の温度上昇条件は、前記ヒータによる前記水の加熱開始時点から閾値時間が経過するまでの期間において、前記第１タンクの前記水温が初期温度から所定温度以上上昇することを含み、
前記制御器は、前記加熱開始時点からの経過時間を計測するタイマを含む、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記制御器は、前記改質器の前記運転待機期間において、前記改質器を保護するための保圧処理を定期的に実行し、前記保圧処理を実行すべき期間において、前記第２水経路の前記水を加熱する処理を中止する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記第２水経路が前記水を貯留する第２タンクを含み、
前記第２タンクの内部に前記ヒータが配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記分岐位置と前記ヒータとの間において前記第２水経路に設けられた第２開閉弁をさらに備え、
前記制御器は、前記改質器の運転期間において前記第２開閉弁を閉じるように制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置で生成された水素ガスを用いて電力を生成する燃料電池と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素生成装置は、請求項５に記載の水素生成装置であり、
前記燃料電池システムは、前記第２タンクと前記燃料電池との間で前記水を循環させる冷却水回路をさらに備えている、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
水素生成装置の運転方法であって、
前記水素生成装置は、
改質器と、
前記改質器に供給されるべき水を貯留する第１タンクと、
前記第１タンクから前記改質器まで延びている第１水経路と、
所定の分岐位置において前記第１水経路から分岐し、前記第１タンクまで延びている第２水経路と、
前記第１タンクと前記分岐位置との間において前記第１水経路に設けられたポンプと、
前記分岐位置と前記改質器との間において前記第１水経路に設けられた第１開閉弁と、
前記第２水経路に設けられたヒータと、
を備え、
前記運転方法は、前記改質器の運転待機期間において、
前記第１開閉弁を閉じるように前記第１開閉弁を制御することと、
前記ポンプを作動させることと、
前記ヒータによって前記第２水経路の前記水を加熱することと、
前記第１タンクの水温を監視することと、
前記第１タンクの前記水温が所定の温度上昇条件を満たさないとき、前記第１開閉弁が開状態で固定されていることを外部に通知すること及び前記改質器の運転を禁止することから選ばれる少なくとも１つと、
を含む、水素生成装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水素生成装置及びそれを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素生成装置及び燃料電池を備えた燃料電池システムはよく知られている。水素生成装置は、改質反応によって都市ガスなどの原料から水素ガスを生成するための改質器を有する。改質器で生成された水素ガスは、酸化剤ガスとしての酸素ガス（空気）とともに燃料電池に供給される。燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって電力が生成される。
【０００３】
改質反応の１つに水蒸気改質がある。水蒸気改質を行うためには、改質器に水を供給する必要がある。特許文献１に記載されているように、ポンプの働きによって、水供給源から改質器に水が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０９５９０号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池が電力を生成していない期間には、水素ガスも必要ないので、改質器への水の供給も中断する必要がある。例えば、改質器に水を供給するための経路に開閉弁が設けられているとき、開閉弁を閉じることによって改質器への水の供給を中断することができる。
【０００６】
しかし、開閉弁が故障していたり、凍結によって開閉弁を閉じることができなかったりすると、改質器に水が供給され続けるおそれがある。
【０００７】
本開示は、改質器に水を供給するための経路に設けられた開閉弁の不具合を速やかに発見するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本開示は、
改質器と、
前記改質器に供給されるべき水を貯留する第１タンクと、
前記第１タンクから前記改質器まで延びている第１水経路と、
所定の分岐位置において前記第１水経路から分岐し、前記第１タンクまで延びている第２水経路と、
前記第１タンクと前記分岐位置との間において前記第１水経路に設けられたポンプと、
前記分岐位置と前記改質器との間において前記第１水経路に設けられた第１開閉弁と、
前記第２水経路に設けられたヒータと、
前記第１タンクに配置された第１温度センサと、
前記改質器の運転待機期間において、前記第１開閉弁を閉じるように制御するとともに、前記ポンプを作動させつつ前記ヒータによって前記第２水経路の前記水を加熱し、前記第１温度センサによって検出された前記第１タンクの水温が所定の温度上昇条件を満たさないとき、前記第１開閉弁が開状態で固定されていることを外部に通知する処理及び前記改質器の運転を禁止する処理から選ばれる少なくとも１つの処理を実行する制御器と、
を備えた、水素生成装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、改質器に水を供給するための経路に設けられた開閉弁の不具合を速やかに発見できる。その結果、改質器に水が過剰に供給されることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、燃料電池システムの運転サイクルを示すタイムチャートである。
【図３】図３は、第１開閉弁の不具合の有無を調べるための処理のフローチャートである。
【図４】図４は、図１に示す燃料電池システムに使用された水素生成装置の構成図である。
【図５】図５は、変形例に係る水素生成装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
改質器が水素ガスを生成していない期間に外気温が下がると、水供給路において水が凍結するおそれがある。水の凍結を防止するために、ポンプを動かして水供給路に水を循環させることができる。この場合、ポンプを止めて水の供給を中断することができないので、開閉弁を閉じて改質器への水の供給を止める必要がある。しかし、開閉弁が故障していたり、凍結によって開閉弁を閉じることができなかったりすると、改質器に水が供給され続ける。その結果、改質器が過剰な量の水で満たされ、改質器の中の触媒が深刻なダメージを受けるおそれがある。
【００１２】
本開示の第１態様に係る水素生成装置は、
改質器と、
前記改質器に供給されるべき水を貯留する第１タンクと、
前記第１タンクから前記改質器まで延びている第１水経路と、
所定の分岐位置において前記第１水経路から分岐し、前記第１タンクまで延びている第２水経路と、
前記第１タンクと前記分岐位置との間において前記第１水経路に設けられたポンプと、
前記分岐位置と前記改質器との間において前記第１水経路に設けられた第１開閉弁と、
前記第２水経路に設けられたヒータと、
前記第１タンクに配置された第１温度センサと、
前記改質器の運転待機期間において、前記第１開閉弁を閉じるように制御するとともに、前記ポンプを作動させつつ前記ヒータによって前記第２水経路の前記水を加熱し、前記第１温度センサによって検出された前記第１タンクの水温が所定の温度上昇条件を満たさないとき、前記第１開閉弁が開状態で固定されていることを外部に通知する処理及び前記改質器の運転を禁止する処理から選ばれる少なくとも１つの処理を実行する制御器と、
を備えたものである。
【００１３】
第１開閉弁が正常に閉じていると、ポンプから吐出された水の全量が第２水経路に進む。水は、第２水経路から第１タンクに移動する。第２水経路において、水は、ヒータによって加熱される。そのため、第１タンクにもヒータによって加熱された水が移動する。したがって、第１タンクの水温が速やかに上昇する。他方、第１開閉弁が開いたままであると、水の一部は、分岐位置から改質器へと流れ、水の残部は、第２水経路へと流れる。この場合、第２水経路に流入する水の流量が減り、第２水経路から第１タンクに移動する水の流量も減る。ポンプから吐出された水の大部分が改質器に流入する可能性もある。その結果、第１開閉弁が正常に閉じているときと比較して、第１タンクの水温が緩やかに上昇する。
【００１４】
上記の知見に基づき、第１タンクの水温を監視することによって、改質器の外部から第１開閉弁が開状態で固定されているかどうかを判断することができる。流量計などの高価な機器も必須とされない。第１開閉弁の不具合を早期に発見できるので、改質器に水が過剰に供給されることを防止できる。第１開閉弁が開状態で固定されていることを外部に通知する処理及び改質器の運転を禁止する処理から選ばれる少なくとも１つの処理を実行すれば、水素生成装置の信頼性を高めることができる。
【００１５】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る水素生成装置は、周囲温度を検出する第２温度センサをさらに備え、前記制御器は、前記第２温度センサによって検出された前記周囲温度が閾値温度を下回ったとき、前記ポンプを作動させつつ前記ヒータによって前記第２水経路の前記水を加熱する処理を実行する。周囲温度が閾値温度以上であれば、第１開閉弁が開状態で固定されているかどうかを調べるための各処理は実行されないので、消費電力を節約できる。
【００１６】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る水素生成装置の前記所定の温度上昇条件は、前記ヒータによる前記水の加熱開始時点から閾値時間が経過するまでの期間において、前記第１タンクの前記水温が初期温度から所定温度以上上昇することを含み、前記制御器は、前記加熱開始時点からの経過時間を計測するタイマを含む。このような条件によれば、第１開閉弁が開状態で固定されているかどうかを確実に判断することができる。
【００１７】
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つに係る水素生成装置の前記制御器は、前記改質器の前記運転待機期間において、前記改質器を保護するための保圧処理を定期的に実行し、前記保圧処理を実行すべき期間において、前記第２水経路の前記水を加熱する処理を中止する。第４態様によれば、改質器の劣化を防ぐことができる。
【００１８】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つに係る水素生成装置の前記第２水経路が前記水を貯留する第２タンクを含み、前記第２タンクの内部に前記ヒータが配置されている。ヒータによって第２タンクの水温を速やかに上昇させることができる。
【００１９】
本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つに係る水素生成装置は、前記分岐位置と前記ヒータとの間において前記第２水経路に設けられた第２開閉弁をさらに備え、前記制御器は、前記改質器の運転期間において前記第２開閉弁を閉じるように制御する。このようにすれば、第１タンクの水が第１水経路を通じて改質器にスムーズに供給される。
【００２０】
本開示の第７態様に係る燃料電池システムは、
第１〜第６態様のいずれか１つに係る水素生成装置と、
前記水素生成装置で生成された水素ガスを用いて電力を生成する燃料電池と、
を備えたものである。
【００２１】
第７態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
【００２２】
本開示の第８態様において、例えば、前記水素生成装置は、第５態様に係る水素生成装置であり、前記燃料電池システムは、前記第２タンクと前記燃料電池との間で前記水を循環させる冷却水回路をさらに備えている。冷却水回路によって、燃料電池を効率的に冷却できるとともに、燃料電池の排熱を温水の形で燃料電池の外部に取り出すことができる。
【００２３】
本開示の第９態様に係る水素生成装置の運転方法において、
前記水素生成装置は、
改質器と、
前記改質器に供給されるべき水を貯留する第１タンクと、
前記第１タンクから前記改質器まで延びている第１水経路と、
所定の分岐位置において前記第１水経路から分岐し、前記第１タンクまで延びている第２水経路と、
前記第１タンクと前記分岐位置との間において前記第１水経路に設けられたポンプと、
前記分岐位置と前記改質器との間において前記第１水経路に設けられた第１開閉弁と、
前記第２水経路に設けられたヒータと、
を備え、
前記運転方法は、前記改質器の運転待機期間において、
前記第１開閉弁を閉じるように前記第１開閉弁を制御することと、
前記ポンプを作動させることと、
前記ヒータによって前記第２水経路の前記水を加熱することと、
前記第１タンクの水温を監視することと、
前記第１タンクの前記水温が所定の温度上昇条件を満たさないとき、前記第１開閉弁が開状態で固定されていることを外部に通知すること及び前記改質器の運転を禁止することから選ばれる少なくとも１つと、
を含むものである。
【００２４】
第９態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
【００２５】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２６】
図１に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム１００は、改質器１１及び燃料電池１３を備えている。改質器１１は、例えば、水蒸気改質反応（CH4+H2O→CO+3H2）などの改質反応によって水素ガスを生成するための機器である。改質器１１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１１には、一酸化炭素を除去するための触媒も収められている。一酸化炭素を除去するための触媒には、ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒が含まれる。改質器１１は、水及び原料ガスを用いて、水素ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。改質器１１で生成された水素ガスが燃料電池１３に供給される。燃料電池１３は、酸化剤ガスと水素ガスとを用いて電力を生成する。燃料電池１３は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である。燃料電池１３の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンクに貯められる。
【００２７】
燃料電池システム１００は、さらに、燃料ガス供給経路１２、酸化剤ガス供給経路１４、アノードオフガス経路１６及びカソードオフガス経路１８を備えている。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１から燃料電池１３に水素ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１と燃料電池１３のアノードガス入口とを接続している。酸化剤ガス供給経路１４は、燃料電池１３のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路である。酸化剤ガス供給経路１４には、空気供給器２０が設けられている。空気供給器２０は、燃料電池１３に空気を供給するためのデバイスである。空気供給器２０の例として、ファン、ブロワなどが挙げられる。酸化剤ガス供給経路１４には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。アノードオフガス経路１６は、未反応の水素ガス及び未反応の原料ガスを燃料電池１３のアノードから排出するための流路である。アノードオフガス経路１６は、燃料電池１３のアノードガス出口と改質器１１の内部に配置された燃焼器２２とを接続している。未反応の水素ガス及び未反応の原料ガスは、アノードオフガス経路１６を通じて、燃焼器２２に供給される。カソードオフガス経路１８は、未反応の酸化剤ガスを燃料電池１３のカソードから排出するための流路である。カソードオフガス経路１８は、燃料電池１３のカソードガス出口に接続されており、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。
【００２８】
燃料電池システム１００は、さらに、第１タンク１５、第１水経路１７及び第２水経路１９を備えている。第１タンク１５は、改質器１１に供給されるべき水を貯留するタンクである。第１水経路１７は、第１タンク１５から改質器１１まで延びている流路である。第２水経路１９は、所定の分岐位置ＢＰにおいて第１水経路１７から分岐し、第１タンク１５まで延びている流路である。
【００２９】
第１タンク１５には、温度センサ２１（第１温度センサ）が設けられている。温度センサ２１は、第１タンク１５の内部に配置されており、第１タンク１５に貯留された水の温度を検出する。温度センサ２１は、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。第１タンク１５には、カソードオフガスから生じた凝縮水及び燃焼排ガスから生じた凝縮水が集められ、貯留される。余分な水は、第１タンク１５から溢れ、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部に排出される。
【００３０】
第１水経路１７には、ポンプ２５及び第１開閉弁２７が設けられている。ポンプ２５は、第１タンク１５と分岐位置ＢＰとの間に位置している。ポンプ２５は、第１タンク１５の水を改質器１１に供給する役割を担っている。第１開閉弁２７は、分岐位置ＢＰと改質器１１との間に位置している。第１開閉弁２７を開くと改質器１１への水の供給が許可され、第１開閉弁２７を閉じると改質器１１への水の供給が禁止される。ポンプ２５は、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプである。第１開閉弁２７は、例えば、電磁弁である。
【００３１】
第２水経路１９は、上流部分１９１、下流部分１９３及び第２タンク１９５を有する。上流部分１９１は、分岐位置ＢＰに接続された一端と第２タンク１９５に接続された他端とを有する。下流部分１９３は、第２タンク１９５に接続された一端と第１タンク１５に接続された他端とを有する。第２タンク１９５には、燃料電池１３を冷却するための水が貯留されている。第２タンク１９５の水位が閾値レベルを超えると、第２タンク１９５から水が溢れ、下流部分１９３を通じて第１タンク１５に移動する。
【００３２】
第２タンク１９５には、ヒータ２９が設けられている。ヒータ２９は、第２タンク１９５の内部に配置されており、第２タンク１９５に貯留された水を必要に応じて加熱する。ヒータ２９によって第２タンク１９５の水温を速やかに上昇させることができる。ヒータ２９は、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータである。本実施形態において、第２タンク１９５は第２水経路１９の一部である。したがって、ヒータ２９は、第２水経路１９に設けられている。
【００３３】
第２タンク１９５には、さらに、温度センサ２３が設けられている。温度センサ２３は、第２タンク１９５の内部に配置されており、第２タンク１９５に貯留された水の温度を検出する。温度センサ２３も、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。ヒータ２９は、例えば、第２タンク１９５の水温が所定の温度範囲に収まるようにオンオフ制御される。「所定の温度範囲」は特に限定されず、燃料電池１３の能力、第２タンク１９５の容量などに応じて決められる。
【００３４】
第２水経路１９には、第２開閉弁２８が設けられている。第２開閉弁２８は、詳細には、第２水経路１９の上流部分１９１に設けられており、分岐位置ＢＰとヒータ２９を内蔵した第２タンク１９５との間に位置している。第２開閉弁２８も、例えば、電磁弁である。
【００３５】
本実施形態において、第１タンク１５、第１水経路１７の一部及び第２水経路１９は、循環回路を形成している。第１開閉弁２７を閉じ、第２開閉弁２８を開き、ポンプ２５を作動させると、第１タンク１５の水が循環回路を循環する。第１開閉弁２７を開き、第２開閉弁２８を閉じ、ポンプ２５を作動させると、第１タンク１５の水が改質器１１に供給される。
【００３６】
燃料電池システム１００は、さらに、冷却水回路３１、熱交換器３３及び熱回収水路３５を備えている。冷却水回路３１は、第２タンク１９５と燃料電池１３との間で水を循環させるための流路である。冷却水回路３１によって、燃料電池１３を効率的に冷却できるとともに、燃料電池１３の排熱を温水の形で燃料電池１３の外部に取り出すことができる。冷却水回路３１は、送り経路３１１及び戻し経路３１２を有する。送り経路３１１及び戻し経路３１２は、それぞれ、燃料電池１３と第２タンク１９５とを接続している。送り経路３１１を通じて、第２タンク１９５の水が冷却水として燃料電池１３に供給される。戻し経路３１２を通じて、燃料電池１３から第２タンク１９５に水が戻される。
【００３７】
冷却水回路３１には、ポンプ３７が設けられている。本実施形態では、ポンプ３７は、冷却水回路３１の送り経路３１１に配置されている。ポンプ３７は、戻し経路３１２に配置されていてもよい。先に説明した容積式ポンプの１つをポンプ３７として使用できる。
【００３８】
熱交換器３３は、冷却水回路３１に配置されている。本実施形態では、熱交換器３３は、冷却水回路３１の送り経路３１１に配置されている。熱交換器３３は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。
【００３９】
熱回収水路３５は、燃料電池１３の排熱を回収するための流路である。熱回収水路３５は、送り経路３５１及び戻し経路３５２を含む。送り経路３５１及び戻し経路３５２は、それぞれ、熱交換器３３に接続されている。送り経路３５１は、熱回収水路３５の上流部分を構成している。戻し経路３５２は、熱回収水路３５の下流部分を構成している。戻し経路３５２は、熱交換器３３において加熱された水を貯湯タンク（図示せず）に導くための流路である。送り経路３５１は、熱交換器３３において加熱されるべき水を熱交換器３３に導くための流路である。熱交換器３３は、熱回収水路３５を流れる水と冷却水回路３１を流れる水とを熱交換させるように構成されている。つまり、熱交換器３３は、冷却水回路３１の冷却水の熱によって貯湯タンク（図示省略）に貯められるべき水を加熱する役割を担っている。
【００４０】
熱回収水路３５には、ポンプ３９が設けられている。本実施形態では、ポンプ３９は、熱回収水路３５の送り経路３５１に配置されている。ポンプ３９は、戻し経路３５２に配置されていてもよい。先に説明した容積式ポンプの１つをポンプ３９として使用できる。
【００４１】
燃料電池システム１００は、さらに、温度センサ４５（第２温度センサ）を備えている。温度センサ４５は、燃料電池システム１００の周囲温度を検出する。温度センサ４５は、例えば、燃料電池システム１００の筐体の内部に配置されている。温度センサ４５によって検出された周囲温度に応じて、各経路における水の凍結を防止するための処理が実行される。
【００４２】
燃料電池システム１００は、さらに、制御器４１を備えている。制御器４１は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。温度センサ２１，２３及び４５の検出信号が制御器４１に入力される。制御器４１には、流量計、ガスセンサなどの他の計測機器（図示省略）からも検出信号が入力される。制御器４１は、温度センサ、流量計、ガスセンサなどの計測機器の計測結果に基づき、ポンプ２５、第１開閉弁２７、ヒータ２９、第２開閉弁２８、ポンプ３７などの制御対象を制御する。制御器４１には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００４３】
燃料電池システム１００は、さらに、報知器４３を備えている。報知器４３は、燃料電池システム１００に異常が発生したことを報知するために使用される。報知器４３は、異常を視覚的に報知できる機器であってもよいし、異常を聴覚的に報知できる機器であってもよいし、それらの組み合わせであってもよい。異常を視覚的に報知できる機器の例として、ディスプレイ、警告ランプなどが挙げられる。異常を聴覚的に報知できる機器の例として、スピーカ、ブザーなどが挙げられる。典型的には、燃料電池システム１００の現在の電気出力（Ｗ）を表示したり、燃料電池システム１００の運転を開始又は停止させたりするためにユーザが操作可能な入出力パネルを報知器４３として使用できる。報知器４３によれば、燃料電池システム１００のユーザ又はメンテナンス担当者に燃料電池システム１００のメンテナンスを迅速に促すことができる。これにより、燃料電池システム１００の安全性及び信頼性を高めることができる。
【００４４】
本実施形態において、各流路は、少なくとも１つの配管によって構成されている。配管は、ステンレス管などの金属配管であってもよいし、樹脂配管であってもよい。
【００４５】
次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。
【００４６】
図２に示すように、燃料電池システム１００は、主に、起動期間、発電期間、停止期間及び待機期間の４つの運転サイクルに従って運転されうる。「起動期間」は、燃料電池システム１００を起動させるための運転期間である。詳細には、「起動期間」は、燃料電池システム１００の出力を所定の定格出力（例えば、７５０Ｗ）まで徐々に上昇させるための運転期間である。起動期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量を徐々に増加させる。起動期間において、酸化剤ガスの流量及び水素ガスの流量が徐々に増加する。「発電期間」は、所定の定格出力で燃料電池システム１００が運転される期間である。ただし、発電期間において、燃料電池システム１００が常に定格出力で運転されることは必須ではない。一定の出力で燃料電池システム１００が安定的に運転されている期間が「発電期間」である。発電期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量はそれぞれ一定に保たれる。酸化剤ガスの流量及び水素ガスの流量もそれぞれ一定に保たれる。「停止期間」は、燃料電池システム１００を停止させるための運転期間である。詳細には、「停止期間」は、燃料電池システム１００の出力をゼロまで徐々に低下させるための運転期間である。停止期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量を徐々に減少させる。停止期間において、酸化剤ガスの流量及び水素ガスの流量が徐々に減少する。「待機期間」は、燃料電池システム１００の出力をゼロのまま保持している期間である。待機期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量は、基本的にはゼロである。ただし、改質器１１の劣化を抑制するために、改質器１１を原料ガスで定期的にパージ（purge）することがある。待機期間において、改質器１１における水素ガスの生成は停止しており、酸化剤ガスの流量及び水素ガスの流量も基本的にはゼロである。制御器４１は、待機期間にも所定の電気的処理を実行し続けている。そのような電気的処理の例は、貯湯タンクの湯量を監視するための処理である。
【００４７】
図２の例によれば、起動期間及び停止期間において、燃料電池システム１００の出力は、連続的かつ一定のレートで上昇又は低下している。ただし、燃料電池システム１００の出力を段階的に上昇又は低下させてもよい。さらに、出力の上昇又は低下のレートを変化させてもよい。
【００４８】
一例において、起動期間の長さ及び停止期間の長さは、それぞれ、１０分〜９０分の範囲にある。燃料電池システム１００の起動又は停止に十分な時間を費やすことによって、改質器１１の劣化、燃料電池１３の劣化などを抑制することができる。ただし、燃焼排ガス中のＣＯ濃度の急上昇を検出した場合などの非常時には、燃料電池システム１００を瞬時に停止させることもある。
【００４９】
発電期間の長さ及び待機期間の長さは、燃料電池システム１００の連続運転可能な時間、貯湯タンクの容量などに応じて変化する。例えば、貯湯タンクに十分な量の湯が貯められた場合、燃料電池システム１００は運転を自動的に停止し、待機期間に入る。貯湯タンクの湯量が閾値を下回ると、燃料電池システム１００は、自動的に運転を開始する。湯の使用量が多い場合、１回の運転サイクルの中で待機期間がゼロの場合もありうる。
【００５０】
起動期間、発電期間及び停止期間においては、第１開閉弁２７を開き、第２開閉弁２８と閉じ、ポンプ２５を作動させる。これにより、第１タンク１５の水が第１水経路１７を通じて改質器１１に供給される。改質器１１には、ガス供給経路（図示せず）を通じて、原料ガスが供給される。
【００５１】
待機期間において、第１開閉弁２７及び第２開閉弁２８を閉じ、ポンプ２５を停止する。これにより、改質器１１への水の供給も止まる。待機期間において、温度センサ４５によって検出された周囲温度が閾値温度を下回った場合、第１水経路１７、第２水経路１９及び第１タンク１５における水の凍結を防止するための処理が実行される。この処理は、例えば、凍結防止処理と呼ばれる。具体的には、第１開閉弁２７を閉じ、第２開閉弁２８を開き、ポンプ２５を作動させる。これにより、第１タンク１５の水が第１水経路１７の一部及び第２水経路１９を循環するので、水の凍結を防止できる。併せて、ヒータ２９をオンにすると、第２水経路１９において水が加熱されるので、凍結防止の効果がさらに向上する。
【００５２】
次に、第１開閉弁２７の不具合の有無を調べるためのタスクについて説明する。
【００５３】
第１開閉弁２７の内部で水が凍結すると、第１開閉弁２７が開いたまま閉じることができないことがある。第１開閉弁２７が開いたまま凍結防止処理を行ってポンプ２５を作動させると、改質器１１に水を供給する必要無いにもかかわらず改質器１１に水が供給される。改質器１１に不要な水が供給され続けると、改質器１１に許容量を上回る量の水が貯まる。その結果、各種触媒が深刻なダメージを受けるおそれがある。許容量以上の水が改質器１１に貯まることを防止するために、制御器４１は、改質器１１の運転待機期間において、図３のフローチャートに示す各処理を行う。改質器１１の運転待機期間は、燃料電池システム１００の待機期間（図２）に一致していると考えてよい。
【００５４】
図３のフローチャートに示す各処理は、改質器１１の運転待機期間において、温度センサ４５によって検出された周囲温度が閾値温度を下回ったとき、制御器４１によって実行される。閾値温度は、例えば０℃である。周囲温度が閾値温度以上であれば、第１開閉弁２７が開状態で固定されているかどうかを調べるための各処理は実行されないので、消費電力を節約できる。
【００５５】
ステップＳ１において、ヒータ２９をオンにする。ヒータ２９をオンにすると、ヒータ２９によって第２タンク１９５の水が加熱される。ステップＳ２において、第１開閉弁２７を閉じるように制御し、第２開閉弁２８を開くように制御する。ステップＳ３において、ポンプ２５を作動させる。つまり、ステップＳ１〜Ｓ３の処理は、水の凍結を防止するための凍結防止処理である。ステップＳ１〜Ｓ３の処理の順序は特に限定されない。
【００５６】
次に、ステップＳ４において、ヒータ２９による加熱開始時間（ヒータ２９がオンされた時間）からの経過時間Ｔを計測するためのタイマをセットする。このタイマは、例えば、制御器４１が持っているタイマである。タイマは、典型的には、ソフトウェアタイマである。
【００５７】
次に、ステップＳ５において、第１タンク１５の現在の水温ｔを検出する。第１タンク１５の水温ｔは、温度センサ２１によって検出される。図３のフローチャートに示す処理を開始した後、最初に検出された水温ｔは、初期温度ｔ０として制御器４１のメモリに記憶される。
【００５８】
次に、ステップＳ６において、優先度の高いタスクが発生したかどうかを判断する。優先度の高いタスクが発生していない場合、ステップＳ７において、温度センサ２１によって検出された第１タンク１５の水温ｔが所定の温度上昇条件を満たすかどうかを判断する。
【００５９】
第１開閉弁２７が正常に閉じていると、ポンプ２５から吐出された水の全量が第２水経路１９に進み、第２タンク１９５に流入する。水は、第２タンク１９５から第１タンク１５に移動する。第２タンク１９５において、水は、ヒータ２９によって加熱される。そのため、第１タンク１５にもヒータ２９によって加熱された水が移動する。したがって、ステップＳ１〜Ｓ４の処理を行ったのち、第１タンク１５の水温ｔが速やかに上昇する。
【００６０】
他方、第１開閉弁２７が開いたままであると、水の一部は、分岐位置ＢＰから改質器１１へと流れ、水の残部は、第２水経路１９へと流れる。この場合、第２タンク１９５に流入する水の流量が減り、第２タンク１９５から第１タンク１５に移動する水の流量も減る。ポンプ２５から吐出された水の大部分が改質器１１に流入する可能性もある。その結果、第１開閉弁２７が正常に閉じているときと比較して、第１タンク１５の水温ｔが緩やかに上昇する。
【００６１】
上記の知見に基づき、第１タンク１５の水温を監視することによって、改質器１１の外部から第１開閉弁２７が開状態で固定されているかどうかを判断することができる。流量計などの高価な機器も必須とされない。第１開閉弁２７の不具合を早期に発見できるので、改質器１１に水が過剰に供給されることを防止できる。
【００６２】
所定の温度上昇条件は、第１開閉弁２７が正常に閉じているときの第１タンク１５の水温ｔの上昇速度と、第１開閉弁２７が開いたままであるときの第１タンク１５の水温ｔの上昇速度との違いに基づいて設定される。本実施形態において、所定の温度上昇条件は、ヒータ２９による水の加熱開始時点から閾値時間が経過するまでの期間において、第１タンク１５の水温ｔが初期温度ｔ０から所定温度以上上昇することである。このような条件によれば、第１開閉弁２７が開状態で固定されているかどうかを確実に判断することができる。「閾値時間」及び「所定温度」は、第１タンク１５の大きさ、ヒータ２９の出力などの設計値に応じて決まる値であるため、特に限定されない。一例において、「閾値時間」は２０分間であり、「所定温度」は、１℃である。
【００６３】
ステップＳ７において、現在の水温ｔと初期温度ｔ０との温度差Δｔが１℃未満であり、かつ、経過時間Ｔが２０分以下であるかどうかを判断する。温度差Δｔが１℃未満であり、かつ、経過時間Ｔが２０分以下である場合、ステップＳ８において、タイマをインクリメントする。ステップＳ５〜Ｓ８の処理を所定時間おき（例えば１秒おき）に繰り返し実行する。
【００６４】
ステップＳ７において、温度差Δｔが１℃以上であること、及び、経過時間Ｔが２０分を越えることから選ばれる少なくとも１つの条件が成立している場合、ステップＳ９に進む。ステップＳ９において、温度差Δｔが１℃以上、かつ、経過時間Ｔが２０分以下であるかどうかを判断する。温度差Δｔが１℃以上、かつ、経過時間Ｔが２０分以下であるとき、第１開閉弁２７が正常に閉じられていると推測されるので、タイマをクリアし、第１開閉弁２７の不具合の有無を調べるための処理を終了する。
【００６５】
ステップＳ９において、温度差Δｔが１℃以上、かつ、経過時間Ｔが２０分以下でないとき、第１開閉弁２７が開いたままであると推測される。したがって、ステップＳ１０において、エラー報知の処理を実行する。エラー報知の処理とともに、ポンプ２５を停止させてもよい。エラー報知の処理は、第１開閉弁２７が開状態で固定されていることを外部に通知する処理である。つまり、温度センサ２１によって検出された第１タンク１５の水温ｔが所定の温度上昇条件を満たさないとき、第１開閉弁２７が開状態で固定されていると判断する。エラー報知の処理は、例えば、報知器４３にエラーを表示する処理である。この処理によれば、燃料電池システム１００のユーザ又はメンテナンス担当者に燃料電池システム１００のメンテナンスを迅速に促すことができる。これにより、燃料電池システム１００の安全性及び信頼性を高めることができる。
【００６６】
エラー報知の処理は、インターネット等の通信網を通じて、燃料電池システム１００の管理端末に燃料電池システム１００の不具合の発生を報知する処理であってもよい。
【００６７】
ステップＳ１０において、エラー報知の処理に代えて、改質器１１の運転を禁止する処理を実行してもよい。さらに、エラー報知の処理とともに、改質器１１の運転を禁止する処理を実行してもよい。このようにすれば、燃料電池システム１００の信頼性をさらに高めることができる。改質器１１の運転を禁止する処理の内容としては、制御器４１において、運転禁止のフラグをオンにすることが挙げられる。
【００６８】
ステップＳ６において、優先度の高いタスクが発生した場合、タイマをクリアし、その優先度の高いタスクを実行する。優先度の高いタスクの内容は、例えば、改質器１１を保護するための保圧処理である。保圧処理を実行すべき期間においては、ヒータ２９をオフにして第２タンク１９５の水を加熱する処理を中止する。これにより、改質器１１の劣化を防ぐことができる。
【００６９】
保圧処理の具体的な内容は、例えば、次の通りである。本実施形態では、水素ガスを生成しない期間（運転待機期間）においても、改質器１１に定期的に原料ガスが供給される。これにより、改質器１１の内部への空気の侵入が阻止され、空気の吸着による触媒の劣化を防ぐことができる。
【００７０】
ただし、保圧処理には、第１開閉弁２７の不具合の有無を調べるための処理と並行して実行可能な処理が含まれる。例えば、改質器１１に原料ガスを供給するだけであり、燃焼器２２におけるガスの燃焼を伴わないとき、改質器２２に水を供給する必要がない。このような保圧処理は、図３に示す各処理と並行して実施可能である。
【００７１】
なお、図３のフローチャートに示すタスクを実行するとき、ポンプ３７を停止させ、冷却水回路３１の水の循環を停止させることが望ましい。これにより、第２タンク１９５の水温を速やかに上昇させることができる。
【００７２】
ところで、第１開閉弁２７だけでなく、第２開閉弁２８が開状態で固定される可能性もある。しかし、第２開閉弁２８が開状態で固定されると、以下に説明する不具合が発生するので、燃料電池システム１００の運転を速やかに停止することができる。改質器１１が水素ガスを生成するとき、第２開閉弁２８は閉じられる。第２開閉弁２８が開いたままであると、改質器１１に流入する水の流量が減り、水素ガスの流量も減る。この場合、燃料電池１３において設計通りの出力が得られず、燃料電池システム１００に不具合があることを直ちに発見できる。
【００７３】
（水素生成装置）
図４に示すように、水素生成装置２００は、図１を参照して説明した燃料電池システム１００の一部である。つまり、改質器１１で生成された水素ガスの用途は、燃料電池１３の燃料に限定されない。例えば、水素ガスを他のガスから分離し、液化水素を製造してもよい。
【００７４】
水素生成装置２００は、第１タンク１５、第１水経路１７及び第２水経路１９を備えている。第１開閉弁２７が第１水経路１７に配置されている。第２開閉弁２８が第２水経路１９に配置されている。温度センサ２１が第１タンク１５の内部に配置されている。ヒータ２９が第２タンク１９５の内部に配置されている。これらの構成は、図１を参照して説明した通りである。
【００７５】
（変形例）
図５に示すように、変形例に係る水素生成装置３００は、図４を参照して説明した水素生成装置２００から第２タンク１９５を省略することによって得られる。第２水経路１９を直接加熱するヒータ４７が第２水経路１９に沿って配置されている。ヒータ４７は、第２水経路１９を構成する配管を加熱し、第２水経路１９の水を加熱する。ヒータ４７は、例えば、リボンヒータ又はシースヒータであり、第２水経路１９を構成する配管に巻き付けられている。
【００７６】
本変形例においても、第１開閉弁２７が開いたままであると、ヒータ４７によって加熱されて第１タンク１５に流入する水の流量が大幅に減るので、第１タンク１５の水温の上昇が緩やかである。そのため、図３に示す各処理を実行することによって、第１開閉弁２７が開状態のまま固定されているかどうかを容易に判断することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本開示の技術は、燃料電池システムなどのコジェネレーションシステムに有用である。
【符号の説明】
【００７８】
１１  改質器
１３  燃料電池
１５  第１タンク
１７  第１水経路
１９  第２水経路
２１  温度センサ（第１温度センサ）
２５  ポンプ
２７  第１開閉弁
２８  第２開閉弁
２９，４７  ヒータ
３１  冷却水回路
４１  制御器
４３  報知器
４５  温度センサ（第２温度センサ）
１００  燃料電池システム
１９５  第２タンク
２００，３００  水素生成装置
ＢＰ  分岐位置
【図１】
2018154530.tif 000003
【図２】
2018154530.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018154530.tif 000006
【図５】
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