(57)【要約】【課題】低コストで簡単な構成で、浄化器の熱劣化を防止し、長寿命化を実現するとともに、燃料電池を冷却する水の導電率の上昇を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池１と、燃料電池１の冷却に用いられる水を貯える浄化水タンク２３と、燃料電池１より回収される水を貯える回収水タンク７と、回収水タンク７と浄化水タンク２３とを接続する水供給路１８と、水供給路１８を流れる水を浄化するための浄化器９と、浄化水タンク２３の水を回収水タンク７に戻す浄化水戻し経路１７と、制御器１０と、を備え、制御器１０は、水浄化運転モードを遂行し、回収水タンク７の水温に関連する温度が所定の閾値以上である場合は、水浄化運転モードにおける水循環量を回収水タンク７の水温に関連する温度が所定の閾値未満である場合よりも減らす、燃料電池システム。【選択図】図１
2008016320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の冷却に用いられる水を貯える浄化水タンクと、
前記燃料電池より排出される排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかより回収される水を貯える回収水タンクと、
前記回収水タンクと前記浄化水タンクとを接続する水供給路と、
前記水供給路を流れる水を浄化するための浄化器と、
前記水供給路を通じて前記回収水タンクから前記浄化水タンクに水を流すためのポンプと、
前記浄化水タンクの水を前記回収水タンクに戻す浄化水戻し経路と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記ポンプを動作させることによって、前記浄化水タンク及び前記回収水タンクの間で水を循環させる水浄化運転モードを遂行し、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値以上である場合は、前記ポンプを制御し、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値未満である場合よりも減らす、燃料電池システム。
【請求項２】
前記浄化水タンクが、前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記回収水タンクの水温に関連する温度が、前記回収水タンク内の水温であり、
前記制御器は、該水温が第１の閾値以上である場合に、前記ポンプを制御し、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記水温が前記第１の閾値未満である場合よりも減らす、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記回収水タンクの水温に関連する温度が、大気温であり、
前記制御器は、該大気温が第２の閾値以上である場合に、前記ポンプを制御し、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記大気温が前記第２の閾値未満である場合よりも減らす、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記ポンプの動作期間を前記所定の閾値未満である場合よりも短くすることで、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記回収水タンクの水温に関連する温度が前記所定の閾値未満である場合よりも減らす、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記ポンプの出力を前記所定の閾値未満である場合よりも小さくすることで、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記回収水タンクの水温に関連する温度が前記所定の閾値未満である場合よりも減らす、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御器は、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値以上である場合に、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値未満の場合よりも水循環量が少ない状態でポンプの動作を停止した後、前記冷却水タンク内の水温が第３の閾値未満になると、前記ポンプの動作を再開する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値以上である場合に、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値未満の場合よりも水循環量が少ない状態でポンプの動作を停止した後、前記システム停止動作を開始して所定時間が経過すると、前記ポンプの動作を再開する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御器は、前記燃料電池システムのシステム停止動作を開始後に、前記水浄化運転モードを開始する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記浄化水タンクは、前記燃料電池を冷却するよう循環される冷却水を貯える前記冷却水タンク、及び前記水供給路から流入する水を貯える補給水タンクを備え、
前記補給水タンクの水が前記冷却水タンクに供給可能なように構成されるとともに、前記浄化水戻し経路は、前記冷却水タンクの水を前記回収水タンクに戻すよう構成され、前記水浄化運転モードにおいて前記補給水タンク、前記冷却水タンク及び前記回収水タンクを経て水が循環する、請求項１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、燃料電池システム、特に燃料電池を冷却する水の導電率を閾値以下に維持しながら発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、外部から燃料電池に供給された燃料ガスと酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を電気化学反応により発電を行うが、このとき、反応ガスの反応により熱が生じる。このため、燃料電池には、発熱した燃料電池内を一定温度に保つために、冷却水が供給される。燃料電池内に供給された冷却水は、燃料電池内で熱交換を行い、加熱されて燃料電池から排出される。排出された冷却水は、熱交換器で熱交換をすることにより冷却され、再び、燃料電池に供給される。
【０００３】
このような冷却水を循環させる燃料電池システムでは、冷却水の水質が劣化（導電率が増加）すると、燃料電池内で漏電が生じるため電圧が低下し、最悪の場合、発電停止を起こすおそれがあり、導電率を所定値以下に維持する必要がある。このため、イオン交換樹脂を充填した浄化器を設け、冷却水中の導電性イオンを吸着させることにより、導電率を所定値以下に維持する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
具体的には、燃料電池の排ガス中の水分を凝縮した回収水を貯える回収水タンク内の水を浄化器に供給し、イオン交換樹脂によりイオン性の不純物が除去され、導電率が低下した水が冷却水タンクに供給されるとともに、冷却水タンク内で所定の水位を超える分の水については、オーバーフロー管より回収水タンクに供給され、冷却水タンクと回収水タンクとの間で水が循環しながら冷却水の水質を維持のための浄化動作が行われるよう構成されている。また、この冷却水の水質を維持するための循環動作の好ましい態様として、燃料電池システムの停止動作時に実施することが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１４１０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
なお、上記特許文献１に記載されているように停止動作時に水質維持のための浄化動作を実施する場合、燃料電池の運転停止直後において６０−７０℃程度と比較的高い温度を有しており、この冷却水が冷却水に比べて温度の低い回収水と混合されることで、通常は、イオン交換樹脂の耐熱温度（５０−６０℃）よりも低い水が浄化器に供給されることになるが、回収水タンクの温度は大気温度の影響を受けやすく、大気温度の高い夏場になると、オーバーフローした冷却水が回収水タンクに供給されても十分に温度が低減されず、イオン交換樹脂の耐熱温度以上の水が浄化器に供給され、イオン交換樹脂の熱劣化が促進される可能性があった。
【０００６】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、大気温度の高い状況下においても浄化器内のイオン交換樹脂の熱劣化が促進しないように冷却水の水質維持のための浄化運転が可能な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】
【０００７】
このような課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の冷却に用いられる水を貯える浄化水タンクと、前記燃料電池より排出される排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかより回収される水を貯える回収水タンクと、前記回収水タンクと前記浄化水タンクとを接続する水供給路と、前記水供給路を流れる水を浄化するための浄化器と、前記水供給路を通じて前記回収水タンクから前記浄化水タンクに水を流すためのポンプと、前記浄化水タンクの水を前記回収水タンクに戻す浄化水戻し経路と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記ポンプを動作させることによって、前記浄化水タンク及び前記回収水タンクの間で水を循環させる水浄化運転モードを遂行し、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値以上である場合は、前記ポンプを制御し、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値未満である場合よりも減らす。
【０００８】
これにより、水浄化運転モードにおいて、回収水タンクの水温に関する温度が高い場合には、浄化器への通水量を減らすことにより、回収水タンク、水供給路及び浄化器内の水の熱容量によって浄化器内の温度が急激に上昇するのを防止することができるため、浄化器の熱劣化を防止することができる。
【０００９】
前記浄化水タンクが、前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクであってもよい。
【００１０】
前記回収水タンクの水温に関連する温度が、前記回収水タンク内の水温であり、前記制御器は、該水温が第１の閾値以上である場合に、前記ポンプを制御し、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記水温が前記第１の閾値未満である場合よりも減らしてもよい。
【００１１】
これにより、水浄化運転モードにおいて、回収水の水温が高い（第１の閾値以上である）場合には、浄化器への通水量を減らすことにより、回収水タンク、水供給路及び浄化器内の水の熱容量によって浄化器内の温度が急激に上昇するのを防止することができるため、浄化器におけるイオン交換樹脂の熱劣化を防止することができる。
【００１２】
前記回収水タンクの水温に関連する温度が、大気温であり、前記制御器は、該大気温が第２の閾値以上である場合に、前記ポンプを制御し、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記大気温が前記第２の閾値未満である場合よりも減らしてもよい。
【００１３】
これにより、大気温度が第２の閾値以上である場合は、回収水温度が第１の閾値以上であると推定し、浄化器への通水量を減らすことにより、回収水タンク、水供給路及び浄化器内の水の熱容量によって浄化器内の温度が急激に上昇するのを防止することができるため、浄化器におけるイオン交換樹脂の熱劣化を防止することができる。
【００１４】
前記制御器は、前記ポンプの動作期間を前記所定の閾値未満である場合よりも短くすることで、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記回収水タンクの水温に関連する温度が前記所定の閾値未満である場合よりも減らしてもよい。
【００１５】
前記制御器は、前記ポンプの出力を前記所定の閾値未満である場合よりも小さくすることで、前記水浄化運転モードにおける水循環量を前記回収水タンクの水温に関連する温度が前記所定の閾値未満である場合よりも減らしてもよい。
【００１６】
前記制御器は、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値以上である場合に、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値未満の場合よりも水循環量が少ない状態でポンプの動作を停止した後、前記冷却水タンク内の水温が第３の閾値未満になると、前記ポンプの動作を再開してもよい。
【００１７】
これにより、水浄化運転モードが短いために、冷却水の浄化が不十分であったとしても、冷却水の水温が低下した後に、ポンプの動作を再開することによって、浄化器への入水温度をイオン交換樹脂の耐熱温度以下に抑えつつ、冷却水の導電率を所定値以下に維持することが可能となる。
【００１８】
前記制御器は、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値以上である場合に、前記回収水タンクの水温に関連する温度が所定の閾値未満の場合よりも水循環量が少ない状態でポンプの動作を停止した後、前記システム停止動作を開始して所定時間が経過すると、前記ポンプの動作を再開してもよい。
【００１９】
これにより、水浄化運転モードが短いために、冷却水の浄化が不十分であったとしても、冷却水の水温が低下したと推定される所定時間が経過した後に、ポンプの動作を再開することによって、浄化器への入水温度をイオン交換樹脂の耐熱温度以下に抑えつつ、冷却水の導電率を所定値以下に維持することが可能となる。
【００２０】
前記制御器は、前記燃料電池システムのシステム停止動作を開始後に、前記水浄化運転モードを開始してもよい。
【００２１】
前記浄化水タンクは、前記燃料電池を冷却するよう循環される冷却水を貯える前記冷却水タンク、及び前記水供給路から流入する水を貯える補給水タンクを備え、前記補給水タンクの水が前記冷却水タンクに供給可能なように構成され、前記浄化水戻し経路は、前記冷却水タンクの水を前記回収水タンクに戻すものであり、前記水浄化運転モードにおいて前記補給水タンク、前記冷却水タンク及び前記回収水タンクを経て水が循環してもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池システムによれば、大気温度の高い状況下においても浄化器内のイオン交換樹脂の熱劣化が促進しないように冷却水の水質維持のための浄化運転が可能となる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池システムによれば、冷却水の温度が低下した後に水浄化運転モードを再開するので、確実に導電率を所定値以下に維持することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００２５】
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について説明する。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システムは、燃料電池１、燃料ガス供給器２、酸化剤ガス供給器３、熱交換器４、冷却水タンク５、第１ポンプ６、回収水タンク７、第２ポンプ８、浄化器９及び制御器１０を有している。
【００２７】
燃料電池１には、燃料ガス供給流路１１の一端が接続されており、燃料ガス供給流路１１の他端には、燃料ガス供給器２が接続されている。燃料ガス供給器２は、燃料ガス供給流路１１を介して燃料電池１のアノード（図示せず）に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給器２は、ここでは、天然ガス供給インフラから供給される天然ガス（原料ガス）を燃料処理機（図示せず）に送出するプランジャーポンプ（図示せず）と、その送出量を調整することができる流量調整具（図示せず）と、送出された天然ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料処理器と、を有している。燃料処理器では、天然ガスと水蒸気とを改質反応させ、改質ガスが生成され、この改質ガスに含まれる一酸化炭素を１ｐｐｍ程度まで減少させて燃料ガスが生成される。このとき、燃料ガスには、改質反応に供された水蒸気が一定量含まれているが、さらに一定量の水蒸気を加湿するような構成としてもよい。また、燃料電池１には、燃料ガス排出流路１２の一端が接続されており、燃料ガス排出流路１２の他端には、燃料ガス供給器２の燃料処理器が接続されている。
【００２８】
また、燃料電池１には、酸化剤ガス供給流路１３の一端が接続されており、酸化剤ガス供給流路１３の他端には、酸化剤ガス供給器３が接続されている。酸化剤ガス供給器３は、酸化剤ガス供給流路１３を介して燃料電池１のカソード（図示せず）に加湿された酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給器３は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）と吸入される空気あるいは吸入された空気を一定量の水蒸気で加湿する加湿装置（図示せず）で構成されている。なお、酸化剤ガス供給器３は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。
【００２９】
さらに、燃料電池１には、酸化剤ガス排出流路１４が接続されており、未反応の酸化剤ガス（以下、排出酸化剤ガスという）をシステム外に排出する。
【００３０】
燃料電池１では、燃料ガス供給器２から供給された水素を含む燃料ガスと、酸化剤ガス供給器３から供給された酸素を含む酸化剤ガスと、が電気化学的に反応して、水が生成し、熱と電気が発生する。このとき、未反応の反応ガス（以下、排出反応ガスという）に含まれる水蒸気は、適宜な方法で排出反応ガスと分離されて、水に凝縮される。排出反応ガスのうち、未反応の燃料ガス（以下、排出燃料ガスという）は、燃料ガス排出流路１２を介して燃料ガス供給器２の燃料処理器（正確には、燃料処理器の加熱部）にオフガスとして供給される。また、排出反応ガスから分離された水、及び反応ガスが反応することにより生成した水は、燃料電池１に接続されている回収水流路１５を介して回収水タンク７に供給される。なお、ここでは、排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスから水蒸気を回収しているが、どちらか一方の排出反応ガスから水蒸気を回収する構成としてもよい。
【００３１】
また、燃料電池１は、冷却水循環路１６により冷却水タンク５と接続されており、冷却水循環路１６には、流量調節可能な第１ポンプ６が設けられている。冷却水循環路１６は、冷却水往路１６Ａと冷却水復路１６Ｂを有している。熱媒体往路１６Ａの上流端は、冷却水タンク５に接続され、その下流端は、燃料電池１の冷却水流路の入り口に接続されている。また、冷却水復路１６Ｂの上流端は、燃料電池１の冷却水流路（図示せず）の出口に接続され、その下流端は、冷却水タンク５に接続されており、冷却水復路１６Ｂの途中には、熱交換器４が設けられている。これにより、燃料電池１に供給される冷却水が、反応ガスを反応させたときに発生する熱を回収し、燃料電池１内を適切な温度に維持することができる。なお、ここでは、第１ポンプ６は、流量調節が可能なポンプを用いているが、これに限定されず、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いて冷却水の流量を調整してもよい。
【００３２】
冷却水タンク５は、冷却水戻し経路１７により回収水タンク７と接続されており、冷却水タンク５に貯えられた冷却水が、冷却水タンク５からオーバーフローすると、冷却水戻し経路１７を介して回収水タンク７に供給される。そして、回収水タンク７は、水供給路１８により冷却水タンク５に接続されており、水供給路１８の途中には、流量調節可能な第２ポンプ８とイオン交換樹脂を有する浄化器９が設けられている。これにより、燃料電池１から回収した水と冷却水タンク５から供給された冷却水が、回収水タンク７で混合される。そして、これらの混合された水（以下、これらの水を回収水という）が、第２ポンプ８によって浄化器９に通流され、水に溶解している導電性イオンが浄化器９のイオン交換樹に吸着され、浄化器９を通流した水が、冷却水タンク５に供給される。これにより、冷却水タンク５に貯えられる水の導電率が、燃料電池１内で漏電が発生しない所定値以下に保たれる。
【００３３】
また、冷却水タンク５には、冷却水温度検出器１９が設けられており、冷却水タンク５に貯えられた冷却水の温度を検出している。同様に、回収水タンク７には、回収水温度検出器２０が設けられている。冷却水温度検出器１９及び回収水温度検出器２０は、例えば、サーミスタや熱電対で構成されている。なお、回収水タンク７には、貯えられた回収水の量を検出する貯水量検出器（図示せず）が設けられ、所定の貯水量よりも少ない場合に、所定量の市水が供給されるように構成されている。
【００３４】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムを構成する制御器１０について説明する。
【００３５】
図２は、図１に示した制御器１０の構成を模式的に示すブロック図である。
【００３６】
図２に示すように、制御器１０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部４１、メモリ等からなる記憶部４２、モニター等の表示部４３、キーボード等の操作入力部４４、及びカレンダー機能を有する時計部４５を有している。演算処理部４１は、記憶部４２に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システムに関する各種の制御を行う。また、演算処理部４１は、記憶部４２に記憶されたデータや操作入力部４４から入力されたデータを処理する。そして特に、演算処理部４１は、上述のように冷却水タンク内の水を回収水タンクの間で所定時間継続して循環させることにより浄化器を介して冷却水を浄化する水浄化運転モードを実施する際に、本発明の回収水の水温に関連する温度としての回収水温度検出器２０にて検出された温度情報に基づいて、水の循環量、つまり浄化器９に通流する水の流量を調整する。なお、水浄化運転モードについては後述する。
【００３７】
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１０は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システムを制御するように構成されていてもよい。
【００３８】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について説明する。
【００３９】
燃料電池システムは、制御器１０の演算処理部４１からの運転開始の制御信号が出力されて起動する。具体的には、燃料ガス供給器２及び酸化剤ガス供給器３から燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ燃料電池１に供給され、燃料電池１では、これらの供給されたガスが反応し、電気と熱が発生する。このため、演算処理部４１は、第１ポンプ６に作動指令を出し、冷却水を冷却水タンク５と燃料電池１との間で循環させ、燃料電池１内を反応に適した温度に保つように制御する。また、燃料電池１から排出される排出反応ガスから水蒸気が分離されて、水に凝縮され、この凝縮された水は、燃料電池１で生成された水とともに、回収水タンク７に供給される。そして、制御器１０の演算処理部４１からの運転停止の制御信号が出力されて停止動作を行い、停止動作が完了すると、燃料電池システムは停止する。
【００４０】
また、制御器１０の演算処理部４１は、回収水温度検出器２０を基に、水浄化運転モードとして第２ポンプ８に作動させる時間を設定し、この設定時間の間、冷却水タンク５と回収水タンク７との間で水を循環させる水浄化運転モードを遂行する。
【００４１】
なお、水浄化運転モードは、燃料電池システムのシステム停止動作を開始したとき（制御器１０の演算処理器４１が運転停止の制御信号を出力したとき）からシステムの動作が完全に停止するまでの停止動作期間中に実施してもよいし、システムが完全に停止してからの停止期間中に実施してもよいし、もしくは、燃料電池１が発電を開始したとき（制御器１０の演算処理器４１が燃料電池１による発電を開始する指令信号を出力したとき）から燃料電池１が発電を停止したとき（制御器１０の演算処理部４１が燃料電池１による発電を停止する指令信号を出力したとき）までのシステム運転期間中に実施してもよい。また、システム運転期間に水浄化運転モードを行う場合、記憶部４２に予め運転開始時間を記憶させておき、所定の時間に水浄化運転モードを行う構成としてもよく、また、操作入力部４４から水浄化運転モードを開始するデータが入力されてから開始する構成としてもよい。
【００４２】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの水浄化運転モードについて説明する。
【００４３】
図３は、制御器１０の記憶部４２に格納された水浄化運転モードプログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【００４４】
まず、制御器１０の演算処理部４１は、水浄化運転モードの開始指令として第２ポンプ８に作動指令を出す（ステップＳ１）。そして、演算処理部４１は、回収水温度検出器２０から回収水の水温に関する情報を（ここでは、回収水の水温）を取得し（ステップＳ２）、記憶部４２に記憶されている第１の閾値と取得した回収水の温度とを比較する（ステップＳ３）。
【００４５】
ここで、第１の閾値とは、通常の水浄化運転モードの水循環量で水浄化運転を実施すると冷却水と混合した回収水がイオン交換樹脂の耐熱温度を超えてしまう可能性のある回収水の温度であって、例えば、通常の水浄化運転モードでの水循環量をＷ１［Ｌ］、水浄化運転モード開始時の冷却水の温度をＴ１[℃]、回収水タンクの温度をＴ２[℃]、回収水タンク内の水量をＷ２［Ｌ］、浄化器９を構成するイオン交換樹脂の耐熱温度をＴ３[℃]とすると、Ｗ１、Ｔ１、Ｔ３はそれぞれ所定の定数として設定可能であるし、Ｗ２についても通常タンク内の水は所定の水位になるよう制御されているため、定数として設定可能であることから、第１の閾値は、（１ｂ）式の右辺の値とし定められ、回収水タンクの温度Ｔ２が（１ｂ）式を満たすかどうかがステップＳ２で実行される。
【００４６】
Ｔ３≦（Ｗ１×Ｔ１＋Ｗ２×Ｔ２）／（Ｗ１＋Ｗ２）・・・・・（１ａ）
従って、
Ｔ２≧Ｔ３−Ｗ１／Ｗ２×（Ｔ１−Ｔ３）・・・・・・・・・・（１ｂ）
なお、上式において水循環量Ｗ１と同等の量の冷却水がオーバーフローして回収水タンク７に供給されているものと仮定している。また、上式においては、冷却水戻し経路１７、回収水タンク７、水供給路１８の熱容量及び放熱量等は考慮されていないが、これらを考慮して、第１の閾値を設定しても構わない。
【００４７】
このとき、回収水の温度が第１の閾値よりも低い場合には、演算処理部４１は、記憶部４２より通常の水浄化運転モードでの水循環時間（通常時循環時間）を読み出し、これを設定時間ｔ１として設定し（ステップＳ４）、第２ポンプ８の動作を開始させ、水浄化運転を開始する（ステップＳ５）。そして、演算処理部４１は、時計部４５から時間情報を取得し（ステップＳ６）、第２ポンプ８の動作を開始してからの時間が、上記設定時間ｔ１以上になったかどうかを判定する（ステップＳ７）。設定時間ｔ１未満である場合には、ステップＳ５に戻り、ステップＳ６〜ステップＳ７を繰り返す。一方、設定時間ｔ１以上である場合には、演算処理部４１は第２ポンプ８に停止指令を出し、第２ポンプ８の作動を停止させ（ステップＳ８）、水浄化運転を終了する。
【００４８】
なお、設定時間ｔ１は、第２ポンプ８を作動させることにより、回収水を浄化器９に通流させ、冷却水タンク５内の冷却水の導電率が所定値以下にまで下げるのに必要な第２ポンプ８の作動時間であって、冷却水タンク内の冷却水の導電率を所定値以下にまで下げるのに必要な水浄化運転での水循環量と水浄化運転での第２ポンプ８の吐出量とから算出され、例えば、冷却水タンク５内の冷却水が全て浄化器９を通流した回収水と入れ替わるのに必要な時間として設定される。
【００４９】
一方、回収水の温度が第１の閾値よりも高い場合には、演算処理部４１は記憶部４２より通常時の水浄化運転での水循環時間よりも短い、高温時の水浄化運転モードとしての水循環時間を読み出し、これを設定時間ｔ２として設定し（ステップＳ９）、第２ポンプ８の動作を開始させ、水浄化運転を開始する（ステップＳ１０）。そして、演算制御部４１は、時計部４５から時間情報を取得し（ステップＳ１１）、第２ポンプ８の動作を開始してからの時間が、上記設定時間ｔ２以上になったかどうかを判定する（ステップＳ１２）。設定時間ｔ２未満である場合には、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１〜ステップＳ１２を繰り返す。一方、設定時間以上である場合には、演算処理部４１は、第２ポンプ８に停止指令を出し、第２ポンプ８の作動を停止させ、水浄化運転を停止する（ステップＳ１３）。なお、設定時間ｔ２は、設定時間ｔ１より短い時間であればよく、例えば、冷却水タンク内の冷却水の半分が、浄化器９を通流した回収水と入れ替わるのに必要な時間として設定される。
【００５０】
次に、演算処理部４１は、水浄化運転停止後から時間の経過とともに、冷却水温度検出器１９から冷却水の温度情報を取得する（ステップＳ１４）。そして、演算処理部４１は、ステップＳ１３で取得した冷却水の温度と、記憶部４２に記憶されている第３の閾値と、を比較し、冷却水の温度が第３の閾値未満であるかどうかを判定する（ステップＳ１５）。冷却水の温度が、第３の閾値以上である場合には、ステップＳ１４に戻り、ステップＳ１４〜ステップＳ１５を繰り返す。一方、冷却水の温度が第３の閾値未満である場合には、演算処理部４１は、浄化器９に通流される回収水の水温が、浄化器９を構成するイオン交換樹脂の耐熱温度以上にならないと判定し、記憶部４２より、水浄化運転再開時の水循環時間を読み出し、これを設定時間ｔ３として設定する（ステップＳ１６）。そして、演算処理部４１は、第２ポンプ８の動作を再開させ、水浄化運転を再開する（ステップＳ１７）。
【００５１】
次に、演算処理部４１は、時計部４５から時間情報を取得し（ステップＳ１８）、第２ポンプ８の動作を再開してからの時間が、上記設定時間ｔ３以上になったかどうかを判定する（ステップＳ１９）。設定時間ｔ３未満である場合には、ステップＳ１８に戻り、ステップＳ１８〜ステップＳ１９を繰り返す。一方、設定時間ｔ３以上である場合には、演算処理部４１は第２ポンプ８に停止指令を出し、第２ポンプ８の作動を停止させ（ステップＳ２０）、水浄化運転を終了する。
【００５２】
ここで、第３の閾値とは、ステップＳ１７からステップＳ２０までの間の水循環量で水浄化運転を実施しても冷却水と混合した回収水がイオン交換樹脂の耐熱温度を超える可能性のない回収水の温度であって、例えば、再開された水浄化運転モードでの水循環量をＷ３［Ｌ］とすると、第３の閾値は、（２ｂ）式の右辺の値とし定められ、冷却水タンクの温度Ｔ１が（２ｂ）式を満たすかどうかがステップＳ１２で実行される。
【００５３】
Ｔ３＞（Ｗ３×Ｔ１＋Ｗ２×Ｔ２）／（Ｗ３＋Ｗ２）・・・・・（２ａ）
従って、
Ｔ１＜Ｔ３−Ｗ２／Ｗ３×（Ｔ３−Ｔ２）・・・・・・・・・・（２ｂ）
なお、ここでも（１ａ）、（１ｂ）式の時と同様に、上式において水循環量Ｗ３と同等の量の冷却水がオーバーフローして回収水タンクに供給されているものと仮定している。また、本式においても冷却水戻し経路１７、回収水タンク７、水供給路１８の熱容量及び放熱量等は考慮されていないが、これらを考慮して、第３の閾値を設定しても構わない。
【００５４】
また、設定時間ｔ３は、例えば、高温時の最初の水浄化運転（ステップＳ１０−ステップＳ１３）において浄化器９を通流した回収水と入れ替わらなかった冷却水タンク５内の残りの半分の冷却水が浄化器９を通流した回収水と入れ替わるのに必要な時間として設定される。
【００５５】
なお、ステップＳ１２では、冷却水温度検出器１９で検出された温度が、第３の閾値未満であるかどうかにより水浄化運転を再開するかどうかを決定したが、本ステップの実行が、燃料電池システムの停止動作以降の期間であれば、燃料電池１が発電停止して自然放熱により冷却水タンク５の水温が第３の閾値未満になると推定されるだけの所定時間が、燃料電池１の発電を停止してから（燃料電池システムの停止指令が出力されてからでも構わない）経過したかどうかを判定し、所定時間以上経過したと判定されれば水浄化運転を再開するようにしても構わない。
【００５６】
以上で説明した水浄化運転モードプログラムを実行することで、大気温度の高い状況下においても浄化器９内のイオン交換樹脂の熱劣化が促進しないように冷却水の水質維持のための浄化運転が可能となり、燃料電池１内での漏電を抑制することが可能になる。
【００５７】
なお、本実施の形態において、回収水の温度が、第１の閾値以上の高温時の水浄化運転モードを実施する際に、通常時に対して第２ポンプ８の出力は変更せずに、ポンプの作動時間を短くすることで水の循環量を減少させたが、ポンプの作動時間は変更せず、ポンプの出力を低下させることで回収水が高温時の水浄化運転での水循環量を減少させてもよく、また、回収水の温度が第１の閾値以上の高温時での水浄化運転での水循環量を、通常時よりも減少させることが可能であれば上述の方法に限定されない。
【００５８】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例について説明する。
【００５９】
［変形例１］
図４は、本実施の形態１の変形例１の燃料電池ステムの構成を模式的に示したブロック図である。なお、以下の説明では、図１と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６０】
図４に示すように、変形例１では、回収水温度検出器２０に代えて大気温度検出器２１を有している。大気温度検出器２１は、外気（大気）の温度を検出し、検出した温度情報は、本発明の回収水の水温に関連する温度として制御器１０の演算処理部４１に伝達される。そして、演算処理部４１は、この伝達された温度情報と、記憶部４２に記憶された第２の閾値と、を比較し、伝達された温度情報が第２の閾値よりも低い場合に、第２ポンプ８を作動させる指令を出す。ここで、第２の閾値とは、回収水タンク７が設置されている外気（大気）の温度と回収水タンク７に貯えられている回収水の温度が相関することから、予め実験等で求めた第１の閾値に相当する（推定できる）大気の温度をいう。
【００６１】
これにより、回収水タンク７に貯えられた回収水の水温を大気温として間接的に検出し、水浄化運転モードにおいて浄化器９に通流される水の温度が、浄化器９のイオン交換樹脂の耐熱温度を超えないように制御することができ、イオン交換樹脂の熱劣化を防止し、長寿命化を図ることができる。また、これにより、冷却水タンク５に貯えられる冷却水の導電率を、安定して所定値以下に保つことができる。
【００６２】
［変形例２］
本変形例では、燃料電池システムの構成は、実施の形態１と同様であり、制御器１０は、水浄化運転モードを以下のようにして遂行する。
【００６３】
図５は、図２に示す制御器１０の記憶部４２に格納された水浄化運転モードプログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。なお、ステップＳ１からステップＳ７まで、図３と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
【００６４】
まず、演算処理部４１は、燃料電池システムの運転の停止指令後に、水浄化運転モードを開始するための指令を出す（ステップＳ１）。そして、回収水温度検出器２０から回収水の水温に関する情報を（ここでは、回収水の水温）を取得し（ステップＳ２）、記憶部４２に記憶されている第１の閾値と取得した回収水の温度とを比較する（ステップＳ３）。このとき、第１の閾値よりも低い場合には、ステップＳ４に進む。一方、第１の閾値以上である場合には、ステップＳ２１に進む。
【００６５】
ステップＳ２１では、演算処理部４１は、時間の経過とともに、冷却水温度検出器１９から冷却水の温度情報を取得する。そして、演算処理部４１は、ステップＳ２１で取得した冷却水の温度と、記憶部４２で記憶されている第４の閾値と、を比較し、第４の閾値未満であるかどうかを判定する（ステップＳ２２）。第４の閾値以上である場合には、ステップＳ２１に戻り、ステップＳ２１〜ステップＳ２２を繰り返す。一方、第４の閾値未満である場合には、ステップＳ４に進み、通常時の水浄化運転を行う。
【００６６】
ここで、第４の閾値とは、通常時の水浄化運転での水循環量Ｗ１で水浄化運転を実施しても冷却水と混合した回収水がイオン交換樹脂の耐熱温度を超える可能性のない冷却水の温度であって、例えば、第４の閾値は、（３ｂ）式の右辺の値とし定められ、冷却水タンクの温度Ｔ１が（３ｂ）式を満たすかどうかの判定がステップＳ２１で実行される。
【００６７】
Ｔ３＞（Ｗ１×Ｔ１＋Ｗ２×Ｔ２）／（Ｗ１＋Ｗ２）・・・・・（３ａ）
従って、
Ｔ１＜Ｔ３−Ｗ２／Ｗ１×（Ｔ３−Ｔ２）・・・・・・・・・・（３ｂ）
なお、ここでも（１ａ）、（１ｂ）式の時と同様に、上式において水循環量Ｗ１と同等の量の冷却水がオーバーフローして回収水タンク７に供給されているものと仮定している。また、本式においても冷却水戻し経路１７、回収水タンク７、水供給路１８の熱容量及び放熱量等は考慮されていないが、これらを考慮して、第４の閾値を設定しても構わない。
【００６８】
なお、ステップＳ２１では、冷却水温度検出器１９で検出された温度が、第４の閾値未満であるかどうかにより水浄化運転を再開するかどうかを決定したが、燃料電池１が発電停止して自然放熱により冷却水タンク５の水温が第４の閾値未満になると推定されるだけの所定時間が、燃料電池１の発電を停止してから（燃料電池システムの停止指令が出力されてからでも構わない）経過したかどうかを判定し、所定時間以上経過していると判定されれば通常時の水浄化運転を実施するようにしても構わない。
【００６９】
このように、本変形例では、燃料電池システムの運転停止後に、水浄化運転モードを行うので、いわゆるＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ−ｕｐ＆Ｓｈｕｔ−ｄｏｗｎ）運転を行うような場合に、好適である。
【００７０】
［変形例３］
図６は、本実施の形態１の変形例３の燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。図７は、図６に示した浄化水タンク２３の構成を示す模式図である。なお、以下の説明では、図１と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図６に示すように、本変形例では、回収水タンク７と冷却水タンク５とを接続する水供給路１８の浄化器９と冷却水タンク５との間に補給水タンク２２が設けられている。そして、冷却水タンク５と補給水タンク２２から浄化水タンク２３が構成され、浄化器９を通流した水が補給水タンク２２に供給され、補給水タンク２２から導電率の低い水が冷却水タンク５に供給される。
【００７１】
なお、図７に示すように、浄化水タンク２３をひとつのタンクで構成してもよい。以下、浄化水タンク２３をひとつにした場合の構成を説明する。
【００７２】
図７に示すように、浄化水タンク２３には、仕切り板２４が設けられている。仕切り板２４の下端は、浄化水タンク２３の底壁と接続されており、一方、仕切り板２４の上端は、冷却水タンク５と補給水タンク２２とが連通するように浄化水タンク２３の天井壁との間に隙間を有するような所定の高さに位置している、これにより、浄化水タンク２３が、仕切り板２４により冷却水タンク５と補給水タンク２２とに仕切られ、浄化器９を通流した導電率の低い水が、補給水タンク２２に供給される。そして、補給水タンク２２の水位が、仕切り板２４の高さを越えると、補給水タンク２２に貯えられた導電率の低い水が、仕切り板２４をオーバーフローして、冷却水タンク５に供給される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の燃料電池発電システムは、回収水温度が高い、または大気温度が高い場合に水浄化運転モードを行う場合は、浄化器への通水量を減らすことで、入水温度上昇を抑制する。これにより、低コストで簡単な構成で、浄化器の熱劣化を防止し、長寿命化を実現でき、家庭用等で用いられる燃料電池システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの制御器の構成を示す模式図である。
【図３】図２に示す制御器の記憶部に格納された水浄化運転モードプログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムの変形例を模式的に示すブロック図である。
【図５】図２に示す制御器の記憶部に格納された水浄化運転モードプログラムの変形例の内容を概略的に示すフローチャートである。
【図６】図１に示す燃料電池システムの変形例を模式的に示すブロック図である。
【図７】図６に示す浄化タンクの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  燃料電池
２  燃料ガス供給器
３  酸化剤ガス供給器
４  熱交換器
５  冷却水タンク
６  第１ポンプ
７  回収水タンク
８  第２ポンプ
９  浄化器
１０  制御器
１１  燃料ガス供給流路
１２  燃料ガス排出流路
１３  酸化剤ガス供給流路
１４  酸化剤ガス排出流路
１５  回収水流路
１６  冷却水循環路
１６Ａ  冷却水往路
１６Ｂ  冷却水復路
１７  冷却水戻し経路
１８  水供給路
１９  冷却水温度検出器
２０  回収水温度検出器
２１  大気温度検出器
２２  補給水タンク
２３  浄化水タンク
２４  仕切り板
【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】
2008016320.tif 000007
【図６】
2008016320.tif 000008
【図７】
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