(57)【要約】【課題】燃料電池内で使用される水の電気伝導度を適切に管理できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムＳは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生される燃料電池６を備えたものであって、燃料電池６内で使用される燃料の加湿や空気の加湿を行うための水を貯溜する燃料加湿タンク１１、空気加湿タンク１２に、水の電気伝導度を検出する検出装置５３を設ける。この検出装置５３は燃料加湿タンク１１、空気加湿タンク１２の水位も検出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生される燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内で使用される水の電気伝導度を検出する検出手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水を貯溜するタンクを備え、前記検出手段は、前記タンク内の水位も検出することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記タンクは、前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスを加湿して供給するためのタンクであることを特徴とする請求項２の燃料電池システム。
【請求項４】
前記検出手段は、前記タンク内に設けられた第１の電極と、該第１の電極の上側に配置された第２の電極と、該第２の電極の上側に配置された第３の電極とを備え、前記第１の電極と第２の電極により前記タンク内の水の電気伝導度を検出すると共に、前記第２の電極と第３の電極により前記タンク内の水位を検出することを特徴とする請求項２又は請求項３の燃料電池システム。
【請求項５】
前記検出手段は、前記タンク内に設けられた第１の電極と第２の電極とを備え、前記第１の電極と第２の電極により前記タンク内の水の電気伝導度と前記タンク内の水位を検出することを特徴とする請求項２又は請求項３の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを水素ガスに改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（以下、これら改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを合わせて改質装置と称す。）により生成された水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池式の発電システムが提案されている。
【０００３】
特に、家庭用の小型電源として固体高分子形燃料電池による発電システムが提唱されており、係る燃料電池システムにおける燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の側に燃料極（アノード）、他方の側に空気極（カソード）の両電極を配したセルを多数積層して構成されている。燃料極側には、純水素ガス又は改質器で改質された水素リッチガスなどの燃料ガスが供給される。また、空気極側には、ファンなどによって送給された酸化剤ガス（酸素）を含む空気が供給される。
【０００４】
燃料ガスと空気が供給されると、燃料極側では、燃料ガス中の水素ガスが化学反応を生じ、プロトンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜を通って空気極側に進み、電子は外部回路を流れる。空気極では、空気中の酸素ガスと、固体高分子電解質膜を通って移動したプロトン及び外部回路を通って流れ込んだ電子が化学反応を生じ、水を生ずると共に起電力を発生する。
【０００５】
ここで、燃料極側に供給される燃料ガス及び空気極側に供給される空気（酸化剤ガス）は、電解質膜における電気抵抗を低減すると共に、膜中の水移動を活発化させるため、湿潤状態であることが望ましい。
【０００６】
そこで、従来より酸化剤ガスを含む空気は、水が貯溜された加湿タンクを通過した後、空気極側に供給していた（例えば、特許文献１参照）。これに加えて、燃料ガスを、水処理装置にて純水とされた水を貯溜した加湿タンクを通過した後、燃料極側に供給していた。そして、これらの加湿タンク内の水は所定の温度に加熱されると共に、空気や燃料ガスと共に燃料電池内を循環して使用されるものであった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８２４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料電池システムでは、膜中のプロトンの移動や化学反応を円滑且つ効率よく行われるために、上述した如く燃料電池内で循環される水の電気伝導度を低く保つ必要がある。しかしながら、燃料ガス中には改質触媒粉などが混入すると共に、空気中にも様々な異物が混入している。このようなガスが通過する水が循環使用されると、不純物が循環水中に析出して電気伝導度が上昇し、発電に寄与する化学反応を阻害するようになる。そのために加湿タンク内の水を交換する必要があるが、従来では一定の運転期間を目安にこれを行っており、適切な作業とは云えなかった。
【０００９】
一方で、係る加湿タンク内の水が枯渇すると前述した如き固体高分子電解質膜の加湿が損なわれてしまうため、従来ではフロートスイッチを設けて水位を検出し、水位が低下した段階で給水する方式を採っていたが、小型のタンクでは係る機械的なスイッチの設置も極めて面倒なものとなる。
【００１０】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、燃料電池内で使用される水の電気伝導度を適切に管理できる燃料電池システムを提供するものである。
【００１１】
本発明のもう一つの目的は、燃料電池で使用される水を貯溜するタンクの水位をコンパクトな構成で合わせて管理できる燃料電池システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
即ち、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反応させ、電力を発生される燃料電池を備えたものであって、燃料電池内で使用される水の電気伝導度を検出する検出手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生される燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池内で使用される水の電気伝導度を検出する検出手段を備えているので、不純物の析出によって水の電気伝導度が上昇した場合には、検出手段にてそれを検出し、的確に水の交換を行えるようになる。これにより、燃料電池内で使用される水を円滑に低電気伝導度に管理し、効率的な発電を実施することが可能となるものである。
【００１４】
請求項２の発明の燃料電池システムは、上記において水を貯溜するタンクを備え、検出手段は、タンク内の水位も検出することを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明によれば、上記に加えて水を貯溜するタンクを備え、検出手段は、タンク内の水位も検出するようにしたので、電気伝導度の検出と水位の検出に要する構造をコンパクト化することが可能となるものである。
【００１６】
請求項３の発明の燃料電池システムは、上記においてタンクは、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスを加湿して供給するためのタンクであることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明によれば、上記に加えてタンクは、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスを加湿して供給するためのタンクであるので、燃料ガスや酸化剤ガスの通過によって不純物が析出し易い加湿タンク内の水の電気伝導度を的確に検出して管理することができるようになると共に、加湿用の水の量も合わせて的確に管理することができるようになるものである。
【００１８】
請求項４の発明の燃料電池システムは、請求項２又は請求項３において検出手段は、タンク内に設けられた第１の電極と、この第１の電極の上側に配置された第２の電極と、この第２の電極の上側に配置された第３の電極とを備え、第１の電極と第２の電極によりタンク内の水の電気伝導度を検出すると共に、第２の電極と第３の電極によりタンク内の水位を検出することを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明によれば、請求項２又は請求項３の発明に加えて検出手段は、タンク内に設けられた第１の電極と、この第１の電極の上側に配置された第２の電極と、この第２の電極の上側に配置された第３の電極とを備え、第１の電極と第２の電極によりタンク内の水の電気伝導度を検出すると共に、第２の電極と第３の電極によりタンク内の水位を検出するようにしたので、第２の電極を電気伝導度の検出と水位の検出の双方に兼用してより一層のコンパクト化を図ることが可能となる。
【００２０】
特に、第２の電極と第３の電極によって水位を検出して給水することで、第１及び第２の電極は常に水中に存在することになるので、電気伝導度の検出は支障無く実施できるようになるものである。
【００２１】
請求項５の発明の燃料電池システムは、請求項２又は請求項３の発明において検出手段は、タンク内に設けられた第１の電極と第２の電極とを備え、第１の電極と第２の電極によりタンク内の水の電気伝導度とタンク内の水位を検出することを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明によれば、請求項２又は請求項３の発明に加えて検出手段は、タンク内に設けられた第１の電極と第２の電極とを備え、第１の電極と第２の電極によりタンク内の水の電気伝導度とタンク内の水位を検出するようにしたので、電気伝導度と水位の検出手段の構造を更にコンパクト化することができるようになるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。実施例における燃料電池システムＳは、ＰＥＦＣ装置Ｔ（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル）を備えた固体高分子形燃料電池発電システムである。
【００２４】
この実施例の燃料電池システムＳは、上記ＰＥＦＣ装置Ｔの他に発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムを構築するため、貯湯タンク７を含む熱回収装置を有している。
【００２５】
ここで、図１を参照して係る固体高分子形燃料電池発電システムである本発明の燃料電池システムＳについて説明する。この燃料電池システムＳでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原料ガスの供給源である原料供給源１と、原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器２と、改質装置１３と、固体高分子形の燃料電池６とを備える。改質装置１３は、原料ガスから燃料ガスとなる水素と二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器３と、この改質器３からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４からの改質ガス中の未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。
【００２６】
燃料電池６は、改質装置１３のＣＯ除去器５からの一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、固体高分子電解質膜６ｄの両面に燃料極（アノード）６ａと、空気極（カソード）６ｂを配した図示しないセルが多数積層して構成され、更に、この燃料電池６を冷却するための冷却部６ｃを備えている。
【００２７】
前記原料供給源１からはガス管１７が延出され、このガス管１７には電磁開閉弁１８及び昇圧ポンプ１９が設けられ、ガス管１７は脱硫器２に接続される。脱硫器２はガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に接続される。そして、この改質器３は、図示しないガス管により、ＣＯ変性器４、ＣＯ除去器５と順次接続されている。この改質装置１３には、昇圧ポンプ４０が設けられた配管４１を介して水タンク２１が接続される。
【００２８】
ここで、水タンク２１は、水道管４７を通じて市水が供給された水処理装置８よって純水とされた水を貯留するものである。本実施例において水処理装置８は、例えばイオン交換樹脂により構成されており、これにより、市水は純水とされる。
【００２９】
尚、水処理装置８にて純水とされた水は、この他にも、昇圧ポンプ４４により各配管９、１０を介して燃料加湿タンク１１及び空気加湿タンク１２に搬送される。また、水道管４７を通じて市水は、貯湯タンク７にも供給されているものとする。
【００３０】
そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３を介して燃料加湿タンク１１に接続され、この燃料加湿タンク１１は、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに接続される。この燃料極６ａは、配管３７を介して改質装置１３に接続されていると共に、配管３７には、ドレン水配管３８が接続されている。これにより、燃料加湿タンク１１と、配管２４及び配管３７により燃料極６ａに燃料ガスとしての水素ガスを加湿供給するアノード側水経路５６が構成される。
【００３１】
また、燃料加湿タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、熱回収用熱交換器２７が介設された配管２６を介して再び燃料加湿タンク１１に接続されている。これにより、燃料加湿タンク１１をアノード側水経路５６と共有したかたちで、燃料加湿タンク１１と、配管２５、熱回収用熱交換器２７及び配管２６により燃料電池６を冷却するための冷却水経路５７が構成される。
【００３２】
ここで、アノード側水経路５６及び冷却水経路５７の両者を兼ねている燃料加湿タンク１１内には、本発明における検出手段を構成する検出装置５３が取り付けられている。この検出装置５３は、後に詳述する如く燃料加湿タンク１１内の水の電気伝導度と水位を検出するものである。また、燃料加湿タンク１１には排水弁５１が取り付けられ、内部の水を排出できるように構成されている。
【００３３】
他方、上記空気加湿タンク１２は、配管３１を介して空気供給源３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６の空気極６ｂに接続される。この空気極６ｂは、配管３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５が接続され、熱回収用熱交換器３３内の排気を外部に排出する構成とされている。更に、この熱回収用熱交換器３３には、配管３６を介して凝縮タンク５２が接続され、更にこの凝縮タンク５２は、配管５９を介して空気加湿タンク１２に接続されている。これにより、空気加湿タンク１２と、配管３２と、配管３４と、熱回収用熱交換器３３と、配管３６と、凝縮タンク５２及び配管５９により、空気極６ｂに酸化剤ガスとしての空気中の酸素を加湿供給するカソード側水経路５８が構成される。
【００３４】
ここで、空気加湿タンク１２にも、本発明における検出手段としての検出装置５３が取り付けられている。この検出装置５３も、後に詳述する如く空気加湿タンク１２内の水の電気伝導度と水位を検出するものである。また、この空気加湿タンク１２には排水弁５４が取り付けられ、内部の水を排出できるように構成されている。
【００３５】
他方、上記貯湯タンク７は、昇圧ポンプ４５により温水配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、昇圧ポンプ４６により温水配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。また、図１において５５は燃料電池システムＳの制御装置であり、後述する汎用のマイクロコンピュータと周辺の電気回路により構成されている。燃料電池システムＳを構成する上述した各機器はこの制御装置５５により制御されると共に、前記検出装置５３、５３も後述する如く制御手段５５に接続されている。
【００３６】
以上の構成で、制御装置５５により燃料電池システムＳの運転が開始されると、原料供給源１から原料ガスが、電磁開閉弁１８を介して昇圧ポンプ１９に入り、当該昇圧ポンプ１９にて昇圧されて、脱硫器２に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２に、例えば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器２を経た原料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。
【００３７】
この改質器３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変性される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変性の一酸化炭素が除去される。
【００３８】
このＣＯ除去器５を経た当該一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）が、ガス管２３を介して燃料加湿タンク１１に供給される。このとき、燃料加湿タンク１１には、予め水道管４７を介して水処理装置８に供給され、当該水処理装置８にて純水とされた水が後述する如く貯溜されている。アノード側水経路５６に設けられる燃料加湿タンク１１内に供給された水素（燃料ガス）は、当該燃料加湿タンク１１内の水中を通過して加湿された後、ガス管２４を介して固体高分子形の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。
【００３９】
他方、空気供給源３０から酸化剤ガスとしての酸素を含んだ空気が空気加湿タンク１２に供給される。このとき、空気加湿タンク１２には、予め水道管４７を介して水処理装置８に供給され、当該水処理装置８にて純水とされた水が後述する如く貯溜されている。
【００４０】
カソード側水経路５８に設けられた空気加湿タンク１２内に供給された酸素（酸化剤ガス）は、当該空気加湿タンク１２内の水中を通過して加湿された後、ガス管３２を介して固体高分子形の燃料電池６の空気極６ｂに供給される。
【００４１】
このようにして燃料電池６に水素ガス（燃料ガス）と酸素ガス（酸化剤ガス）が供給されると、燃料極６ａ側では水素ガスが化学反応を生じ、プロトンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜６ｄを通って空気極６ｂ側に進み、電子は、図示しない外部回路を流れる。空気極６ｂでは、酸素ガスと、固体高分子電解質膜６ｄを通って移動したプロトン及び外部回路を通って流入した電子が化学反応を生じ、水を生ずると共に起電力を発生する。
【００４２】
空気極６ｂから配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク７の水が温水配管４３を介して循環する熱回収用熱交換器３３で熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器３３での熱交換によって、貯湯タンク７の水が温度上昇する。
【００４３】
他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、配管３６を介して凝縮タンク５２に流入する。この凝縮タンク５２にて凝縮された水の温度を下げ、配管５３を介して再び空気加湿タンク１２に戻す。
【００４４】
燃料電池６では、電気化学反応が行われるため、この電気化学反応により活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧による熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６ｃには、図示しないポンプにより、燃料加湿タンク１１の水が供給され、当該冷却部６ｃを経た水は、配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び燃料加湿タンク１１に帰還する冷却水経路５７が構成されている。
【００４５】
ここで、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が温水配管４２を介して循環しているため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、燃料加湿タンク１１の水の温度が低下する。これにより、燃料加湿タンク１１の水が冷却部６ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。
【００４６】
尚、上述した如く貯湯タンク７の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇するため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチンなどに供給することができる。これにより、燃料電池システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとることが可能となり、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【００４７】
上記において燃料極６ａから排出される未反応水素ガスは、改質器３が、内部に図示しないバーナを有していることから、配管３７を介して、オフガスとしてバーナに供給される。また、燃料電池６における化学反応により生じ、燃料極６ａに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３において生じたドレン水は、ドレン水配管３８により外部に排出されるものとする。
【００４８】
そして、上述した如く燃料電池６にて水素ガス（燃料ガス）と空気中の酸素（酸化剤ガス）とを化学反応させて発電された電力は、昇圧コンバータ１５を経て、ＤＣ３２０Ｖ程度にまで昇圧され、系統連系インバータ１６に送られ、ここから、単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図示しない家庭に供給される。
【００４９】
次に、図２を参照して前記制御装置５５による燃料加湿タンク１１及び空気加湿タンク１２内の水の電気伝導度の検出並びに水位検出に関する制御を説明する。尚、以下は燃料加湿タンク１１を例にあげて説明するが、空気加湿タンク１２の場合も同様とする。この図において、６１は制御装置５５を構成する前述したマイクロコンピュータである。また、この場合前述した検出装置５３は３本の電極６２〜６４により構成されている。各電極６２〜６４は燃料加湿タンク１１内の側壁に取り付けられており、このうち第１の電極６２は最も低い位置に、第２の電極６３はその上側に、そして、第３の電極６４はその上側の最も高い位置に取り付けられている。また、電極６４の高さは燃料加湿タンク１１の最低水位（給水必要水位）の位置となる。
【００５０】
そして、電極６２と電極６３はこれも検出手段を構成する電気伝導度検出回路６６を介してマイクロコンピュータ６１に接続され、電極６４と電極６３はこれも検出手段を構成する水位検出回路６７を介してマイクロコンピュータ６１に接続されている。即ち、電極６３は両検出回路６６、６７で兼用するかたちとなる。
【００５１】
このうち電気伝導度検出回路６６は、トランス６８、抵抗６９、抵抗７１、抵抗７２、抵抗７３、抵抗７４、抵抗７６と、コンデンサ７７、７８、７９と、ダイオード８１、８２、８３と、トランジスタ８４と、フォトカプラ８６などから構成されている。そして、電極６２はコンデンサ７８、ダイオード８３を介してコンデンサ７９の一端に接続されている。コンデンサ７９の一端には更に抵抗７２と抵抗７３の分圧回路を介してトランジスタ８４のベースが接続されている。ダイオード８３はコンデンサ７９側が順方向とされ、このダイオード８３とコンデンサ７８の間には抵抗７１とダイオード８２の直列回路が接続されている。このダイオード８２は抵抗７１側が順方向とされている。
【００５２】
尚、コンデンサ７９の他端、抵抗７３、トランジスタ８４のエミッタ、ダイオード８２はトランス６８の二次側一端に接続されている。電極６３は抵抗６９を介してトランス６８の二次側他端に接続されている。この電極６３と抵抗６９の間にはダイオード８１が接続され、ダイオード８１の順方向側は抵抗７４を介してフォトカプラ８６のフォトダイオード８６Ｄに接続されている。このフォトダイオード８６Ｄはトランジスタ８４のコレクタに接続され、ダイオード８１の順方向側は更にコンデンサ７７を介してトランス６８の二次側一端に接続されている。
【００５３】
フォトカプラ８６のフォトトランジスタ８６Ｔは抵抗７６を介して＋５Ｖ電源と接地間に接続されると共に、このフォトトランジスタ８６Ｔの端子電圧がマイクロコンピュータ６１の電気伝導度検出用の入力ポートＰ２に接続されたかたちとされている。
【００５４】
一方、水位検出回路６７は、トランス８７、抵抗８８、抵抗８９、抵抗９１、抵抗９２、抵抗９３、抵抗９４と、コンデンサ９６、９７、９８と、ダイオード９９、１０１、１０２と、トランジスタ１０３と、フォトカプラ１０４などから構成されている。そして、電極６４はコンデンサ９７、ダイオード１０２を介してコンデンサ９８の一端に接続されている。コンデンサ９８の一端には更に抵抗９１と抵抗９２の分圧回路を介してトランジスタ１０３のベースが接続されている。ダイオード１０２はコンデンサ９８側が順方向とされ、このダイオード１０２とコンデンサ９７の間には抵抗８９とダイオード１０１の直列回路が接続されている。このダイオード１０１は抵抗８９側が順方向とされている。
【００５５】
尚、コンデンサ９８の他端、抵抗９２、トランジスタ１０３のエミッタ、ダイオード１０１はトランス８７の二次側一端に接続されている。電極６３は抵抗８８を介してトランス８７の二次側他端に接続されている。この電極６３と抵抗８８の間にはダイオード９９が接続され、ダイオード９９の順方向側は抵抗９３を介してフォトカプラ１０４のフォトダイオード１０４Ｄに接続されている。このフォトダイオード１０４Ｄはトランジスタ１０３のコレクタに接続され、ダイオード９９の順方向側は更にコンデンサ９６を介してトランス８７の二次側一端に接続されている。
【００５６】
フォトカプラ１０４のフォトトランジスタ１０４Ｔは抵抗９４を介して＋５Ｖ電源と接地間に接続されると共に、このフォトトランジスタ１０４Ｔの端子電圧がマイクロコンピュータ６１の水位検出用の入力ポートＰ１に接続されたかたちとされている。
【００５７】
以上の構成で、今燃料加湿タンク１１内には電極６４の高さ以上の水位の水が貯溜されて循環されているものとする。この状態では全ての電極６２〜電極６４は水没しているので、電極６４と６３間は導通され、水位検出回路６７のコンデンサ９７、ダイオード１０２を介してコンデンサ９８に充電される。このコンデンサ９８の端子電圧が抵抗９１、９２により分圧され、トランジスタ１０３のベースに印加されるので、トランジスタ１０３はＯＮ（導通）する。
【００５８】
トランジスタ１０３がＯＮすることで、ダイオード９９及び抵抗９３を介してフォトカプラ１０４のフォトダイオード１０４Ｄに通電されるので、フォトダイオード１０４Ｄは発光し、これによってフォトトランジスタ１０４ＴがＯＮ（導通）する。このフォトトランジスタ１０４ＴがＯＮすることでマイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ１の電位Ｖ１は低電位（以下「Ｌ」と称する。）となる。マイクロコンピュータ６１はこの入力ポートＰ１の電位Ｖ１が「Ｌ」のとき、燃料加湿タンク１１内の水位は最低水位以上あるものと判断する。
【００５９】
ここで、アノード側水経路５６内を循環する水は前述の如くドレン水配管３８により排出される。また、冷却水経路５７（カソード側水経路５８も同様）内を循環する水も蒸気となって徐々に失われていくので、燃料加湿タンク１１内の水位も徐々に低下していく。
【００６０】
そして、燃料加湿タンク１１内の水位が電極６４より低くなると、電極６４が水面上に出て電極６３との導通が無くなるので、コンデンサ９８には充電されなくなる。従って、トランジスタ１０３のベース電位も低下するので、トランジスタ１０３はＯＦＦし、従って、フォトダイオード１０４Ｄも発光しなくなる。これにより、フォトトランジスタ１０４ＴもＯＦＦするので、マイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ１には＋５Ｖが抵抗９４を介して印加され、電位Ｖ１は「Ｈ」となる。
【００６１】
マイクロコンピュータ６１はこの入力ポートＰ１の電位Ｖ１が「Ｈ」となったことで燃料加湿タンク１１内の水位が最低水位（電極６４の高さ）より低下したものと判断し、昇圧ポンプ４４を運転して水処理装置８にて純水とされた水を配管９（空気加湿タンク１２の場合は配管１０）を介して燃料加湿タンク１１に供給する。尚、この給水は電極６４が水没して前述の如く入力ポートＰ１の電位Ｖ１が「Ｌ」に反転した時点から所定時間後に停止される。これにより、燃料加湿タンク１１の水位は電極６４の高さ以上に維持されることになる。従って、電極６３と６２は常時水没しているので、後述する電気伝導度の検出は支障無く実行される。
【００６２】
即ち、電極６２と電極６３は常時水没しているので、燃料加湿タンク１１内の水の電気伝導度に応じて電流が流れる。これにより、電気伝導度検出回路６６のコンデンサ７８、ダイオード８３を介してコンデンサ７９に充電される。このコンデンサ７９の端子電圧が抵抗７２、７３により分圧され、トランジスタ８４のベースに印加されるが、水の電気伝導度が低い状態では電極６２、６３間を流れる電流が少ないので、コンデンサ７９の端子電圧はトランジスタ８４をＯＮ（導通）させるまで至らない。従って、水の電気伝導度が低い状態ではトランジスタ８４はＯＦＦ（不導通）しており、そのため、フォトカプラ８６のフォトダイオード８６Ｄにも通電されず、発光しない。
【００６３】
フォトダイオード８６Ｄが発光しないので、フォトトランジスタ８６ＴもＯＦＦ（不導通）している。そのため、マイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ２には＋５Ｖ電源が抵抗７６を介して印加され、電位Ｖ２は高電位（以下「Ｈ」と称する。）となる。マイクロコンピュータ６１はこの入力ポートＰ２の電位Ｖ２が「Ｈ」のとき、燃料加湿タンク１１内の水の電気伝導度は低いものと判断する。
【００６４】
ここで、前述の如く燃料加湿タンク１１は改質装置１３で改質された水素（燃料ガス）が通過する。この改質ガス中には改質装置１３内の触媒粉などの異物が混入（空気加湿タンク１２の場合には空気中の異物）しており、且つ、前述の如く循環して使用されているため、運転が継続すると循環水中に不純物が析出し、その電気伝導度が上昇してくる。
【００６５】
燃料加湿タンク１１内の水は前述の如く水素を加湿するものであるため、蒸気となって水素とともにアノード６ａに供給されることになるが、この水の電気伝導度が上昇すると、その不純物イオンによって燃料電池６内部における反応が阻害されるようになる。
【００６６】
一方、燃料加湿タンク１１内の水の電気伝導度が上昇してくると、電極６２と電極６３間を流れる電流が増大するため、コンデンサ７９の端子電圧（充電電圧）も上昇してくる。やがて電気伝導度がトランジスタ８４のベースをＯＮさせるに足るところまで上昇すると、トランジスタ８４がＯＮ（導通）するので、ダイオード８１及び抵抗７４を介してフォトカプラ８６のフォトダイオード８６Ｄに通電され、フォトダイオード８６Ｄは発光する。これによってフォトトランジスタ８６ＴがＯＮ（導通）する。
【００６７】
このフォトトランジスタ８６ＴがＯＮすることでマイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ２の電位Ｖ２は「Ｌ」となる。マイクロコンピュータ６１はこの入力ポートＰ２の電位Ｖ２が「Ｌ」のとき、燃料加湿タンク１１内の電気伝導度が許容できないところまで上昇したものと判断し、燃料電池システムＳの運転を停止する。次に、排水弁５１（空気加湿タンク１２の場合には排水弁５４）を開き、燃料加湿タンク１１内の水を排出する。次に、昇圧ポンプ４４を運転して水処理装置８にて純水とされた水を配管９（空気加湿タンク１２の場合は配管１０）を介して燃料加湿タンク１１に供給する。
【００６８】
ここで、排水弁５１の開放により燃料加湿タンク１１内の水位が電極６４の高さより低下すると、電極６４と電極６３間の導通が無くなる。そのため、マイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ１の電位Ｖ１は「Ｈ」となる。そして、給水により再び「Ｌ」となった時点から所定時間後にマイクロコンピュータ６１は給水を停止する。このようにして燃料加湿タンク１１内の水を交換し、マイクロコンピュータ６１は燃料電池システムＳの運転を再開することになる。
【００６９】
このように、燃料加湿タンク１１及び空気加湿タンク１２内の水の電気伝導度を検出する検出装置５３を設け、不純物の析出によって水の電気伝導度が上昇した場合には、電気伝導度検出回路６６にてそれを検出し、的確に水の交換を行えるので、燃料電池６内で循環される水を円滑に低電気伝導度に管理し、効率的な発電を実施することが可能となる。
【００７０】
また、検出装置５３は、燃料加湿タンク１１や空気加湿タンク１２内の水位も検出し、それによりマイクロコンピュータ６１が給水するようにしているので、電気伝導度の検出と水位の検出に要する構造をコンパクト化することが可能となる。
【００７１】
特に、検出装置５３を、燃料加湿タンク１１や空気加湿タンク１２内に設けられた第１の電極６２と、この第１の電極６２の上側に配置された第２の電極６３と、この第２の電極６３の上側に配置された第３の電極６４とから構成し、第１の電極６２と第２の電極６３により燃料加湿タンク１１内の水の電気伝導度を検出すると共に、第２の電極６３と第３の電極６４により燃料加湿タンク１１内の水位を検出するようにしているので、第２の電極６３を電気伝導度の検出と水位の検出の双方に兼用してより一層のコンパクト化を図ることが可能となる。この場合、第２の電極６３と第３の電極６４によって水位を検出して給水することで、第１及び第２の電極６２、６３は常に水中に存在することになるので、電気伝導度の検出は支障無く実施できるようになる。
【００７２】
次に、図３は本発明の他の実施例を示している。尚、この図において図２と同一符号は同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合、検出装置５３は燃料加湿タンク１１（又は空気加湿タンク１２）の側壁に取り付けられた２本の第１の電極１０６と第２の電極１０７とから構成されている。この場合、第１の電極１０６と第２の電極１０７は同じ高さにあってもよいが、実施例では第２の電極１０７が第１の電極１０６の上側にあり、そこが燃料加湿タンク１１（又は空気加湿タンク１２）の最低水位の高さとされる。
【００７３】
この図において、電極１０６と電極１０７は電気伝導度と水位の双方を検出する検出手段を構成する検出回路１０５を介してマイクロコンピュータ６１に接続されている。そして、検出回路１０５は、トランス１０８、抵抗１０９、抵抗１１１、抵抗１１２、抵抗１１３、抵抗１１４、抵抗１１６、抵抗７４、抵抗７６、抵抗９３、抵抗９４と、コンデンサ１１７、１１８、１１９と、ダイオード１２１、１２２、１２３と、前述同様のトランジスタ８４、トランジスタ１０３と、フォトカプラ８６、フォトカプラ１０４などから構成されている。
【００７４】
そして、電極１０６はコンデンサ１１７、ダイオード１２２を介してコンデンサ１１８の一端に接続されている。コンデンサ１１８の一端には更に抵抗１１２と抵抗１１３の分圧回路を介してトランジスタ１０４のベースが接続され、抵抗１１４と抵抗１１６の分圧回路を介してトランジスタ８４のベースが接続されている。ダイオード１２２はコンデンサ１１８側が順方向とされ、このダイオード１２２とコンデンサ１１７の間には抵抗１１１とダイオード１２１の直列回路が接続されている。このダイオード１２１は抵抗１１１側が順方向とされている。
【００７５】
尚、コンデンサ１１８の他端、抵抗１１３、抵抗１１６、トランジスタ１０３のエミッタ、トランジスタ８４のエミッタ、ダイオード１１８はトランス１０８の二次側一端に接続されている。電極１０７は抵抗１０９を介してトランス１０８の二次側他端に接続されている。この電極１０７と抵抗１０９の間にはダイオード１２３が接続され、ダイオード１２３の順方向側は抵抗７４を介してフォトカプラ８６のフォトダイオード８６Ｄに接続されると共に、抵抗９３を介してフォトカプラ１０４のフォトダイオード１０４Ｄに接続されている。
【００７６】
このフォトダイオード８６Ｄはトランジスタ８４のコレクタに接続されると共に、フォトダイオード１０４Ｄはトランジスタ１０３のコレクタに接続される。ダイオード１２３の順方向側は更にコンデンサ１１９を介してトランス１０８の二次側一端に接続されている。尚、上記抵抗１１２は後述する電気伝導度の低いレベルでもトランジスタ１０３をＯＮできるように設定されている。
【００７７】
フォトカプラ８６のフォトトランジスタ８６Ｔは抵抗７６を介して＋５Ｖ電源と接地間に接続されると共に、このフォトトランジスタ８６Ｔの端子電圧がマイクロコンピュータ６１の電気伝導度検出用の入力ポートＰ２に接続されたかたちとされている。また、フォトカプラ１０４のフォトトランジスタ１０４Ｔは抵抗９４を介して＋５Ｖ電源と接地間に接続されると共に、このフォトトランジスタ１０４Ｔの端子電圧がマイクロコンピュータ６１の水位検出用の入力ポートＰ１に接続されたかたちとされている。
【００７８】
以上の構成で、今燃料加湿タンク１１内には電極１０７の高さ以上の水位の水が貯溜されて循環されているものとする。また、その電気伝導度は低いものとする。この状態では電極１０６、電極１０７は水没しているので、電極１０６と１０７間は導通され、コンデンサ１１７、ダイオード１２２を介してコンデンサ１１８に充電される。このコンデンサ１１８の端子電圧が抵抗１１２、１１３により分圧され、トランジスタ１０３のベースに印加される。このとき、前述の如く抵抗１１２は低電気伝導度でもトランジスタ１０３をＯＮできるように設定しているので、トランジスタ１０３はＯＮ（導通）する。
【００７９】
トランジスタ１０３がＯＮすることで、ダイオード１２３及び抵抗９３を介してフォトトカプラ１０４のフォトダイオード１０４Ｄに通電されるので、フォトダイオード１０４Ｄは発光し、これによってフォトトランジスタ１０４ＴがＯＮ（導通）する。このフォトトランジスタ１０４ＴがＯＮすることでマイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ１の電位Ｖ１は「Ｌ」となる。
【００８０】
一方、低電気伝導度ではコンデンサ１１８の端子電圧はトランジスタ８４をＯＮ（導通）させるまで至らない。従って、水の電気伝導度が低い状態ではトランジスタ８４はＯＦＦ（不導通）しており、そのため、フォトトカプラ８６のフォトダイオード８６Ｄにも通電されず、発光しない。
【００８１】
フォトダイオード８６Ｄが発光しないので、フォトトランジスタ８６ＴもＯＦＦ（不導通）している。そのため、マイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ２には＋５Ｖ電源が抵抗７６を介して印加され、電位Ｖ２は「Ｈ」となる。マイクロコンピュータ６１は入力ポートＰ１の電位Ｖ１が「Ｌ」であり、入力ポートＰ２の電位Ｖ２が「Ｈ」のとき、燃料加湿タンク１１内には最低水位以上の水があり、且つ、その電気伝導度は低いものと判断する。
【００８２】
ここで、燃料加湿タンク１１内の水位が電極１０７より低くなると、電極１０７が水面上に出て電極１０６との導通が無くなるので、コンデンサ１１８には充電されなくなる。従って、トランジスタ１０３のベース電位も低下するので、トランジスタ１０３はＯＦＦし、従って、フォトダイオード１０４Ｄも発光しなくなる。これにより、フォトトランジスタ１０４ＴもＯＦＦするので、マイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ１には＋５Ｖが抵抗９４を介して印加され、電位Ｖ１は「Ｈ」となる。
【００８３】
マイクロコンピュータ６１はこの入力ポートＰ１の電位Ｖ１が「Ｈ」（Ｖ２は「Ｈ」）となったことで燃料加湿タンク１１内の水位が最低水位（電極１０７の高さ）より低下したものと判断し、昇圧ポンプ４４を運転して水処理装置８にて純水とされた水を配管９（空気加湿タンク１２の場合は配管１０）を介して燃料加湿タンク１１に供給する。尚、この給水は電極１０７が水没して前述の如く入力ポートＰ１の電位Ｖ１が「Ｌ」に反転した時点から所定時間後に停止される。これにより、燃料加湿タンク１１の水位は電極１０７の高さ以上に維持されることになる。
【００８４】
一方、燃料加湿タンク１１内の水の電気伝導度が上昇してくると、電極１０６と電極１０７間を流れる電流が増大するため、コンデンサ１１８の端子電圧（充電電圧）も上昇してくる。やがて電気伝導度がトランジスタ８４のベースをＯＮさせるに足るところまで上昇すると、トランジスタ８４がＯＮ（導通）するので、ダイオード１２３及び抵抗７４を介してフォトトカプラ８６のフォトダイオード８６Ｄに通電され、フォトダイオード８６Ｄは発光する。これによってフォトトランジスタ８６ＴがＯＮ（導通）する。
【００８５】
このフォトトランジスタ８６ＴがＯＮすることでマイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ２の電位Ｖ２は「Ｌ」となる。マイクロコンピュータ６１はこの入力ポートＰ２の電位Ｖ２が「Ｌ」のとき（Ｖ１は「Ｌ」）、燃料加湿タンク１１内の電気伝導度が許容できないところまで上昇したものと判断し、燃料電池システムＳの運転を停止する。次に、排水弁５１（空気加湿タンク１２の場合には排水弁５４）を開き、燃料加湿タンク１１内の水を排出する。次に、昇圧ポンプ４４を運転して水処理装置８にて純水とされた水を配管９（空気加湿タンク１２の場合は配管１０）を介して燃料加湿タンク１１に供給する。
【００８６】
ここで、排水弁５１の開放により燃料加湿タンク１１内の水位が電極１０７の高さより低下すると、電極１０６と電極１０７間の導通が無くなる。そのため、マイクロコンピュータ６１の入力ポートＰ１の電位Ｖ１は「Ｈ」となる。そして、給水により再び「Ｌ」となった時点から所定時間後にマイクロコンピュータ６１は給水を停止する。このようにして燃料加湿タンク１１内の水を交換し、マイクロコンピュータ６１は燃料電池システムＳの運転を再開することになる。
【００８７】
このように、この場合の実施例では検出装置５３を燃料加湿タンク１１や空気加湿タンク１２内に設けられた第１の電極１０６と第２の電極１０７とで構成し、第１の電極１０６と第２の電極１０７により加湿タンク１１、１２内の水の電気伝導度と加湿タンク１１、１２内の水位を検出するようにしたので、電気伝導度と水位の検出装置５３の構造を更にコンパクト化することができるようになる。
【００８８】
尚、各実施例では、燃料加湿タンク１１と空気加湿タンク１２に検出装置５３を取り付けたが、それに限らず、燃料電池システムＳ内で使用されるあらゆる水の電気伝導度と水位の検出に本発明は有効である。また、実施例では、燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムＳについて説明しているが、これ以外に、水の循環経路を燃料電池に有しているものであれば他の種類の燃料電池を用いた燃料電池システムであっても、同様の効果が得られる。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生される燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池内で使用される水の電気伝導度を検出する検出手段を備えているので、不純物の析出によって水の電気伝導度が上昇した場合には、検出手段にてそれを検出し、的確に水の交換を行えるようになる。これにより、燃料電池内で使用される水を円滑に低電気伝導度に管理し、効率的な発電を実施することが可能となるものである。
【００９０】
請求項２の発明によれば、上記に加えて水を貯溜するタンクを備え、検出手段は、タンク内の水位も検出するようにしたので、電気伝導度の検出と水位の検出に要する構造をコンパクト化することが可能となるものである。
【００９１】
請求項３の発明によれば、上記に加えてタンクは、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスを加湿して供給するためのタンクであるので、燃料ガスや酸化剤ガスの通過によって不純物が析出し易い加湿タンク内の水の電気伝導度を的確に検出して管理することができるようになると共に、加湿用の水の量も合わせて的確に管理することができるようになるものである。
【００９２】
請求項４の発明によれば、請求項２又は請求項３の発明に加えて検出手段は、タンク内に設けられた第１の電極と、この第１の電極の上側に配置された第２の電極と、この第２の電極の上側に配置された第３の電極とを備え、第１の電極と第２の電極によりタンク内の水の電気伝導度を検出すると共に、第２の電極と第３の電極によりタンク内の水位を検出するようにしたので、第２の電極を電気伝導度の検出と水位の検出の双方に兼用してより一層のコンパクト化を図ることが可能となる。
【００９３】
特に、第２の電極と第３の電極によって水位を検出して給水することで、第１及び第２の電極は常に水中に存在することになるので、電気伝導度の検出は支障無く実施できるようになるものである。
【００９４】
請求項５の発明によれば、請求項２又は請求項３の発明に加えて検出手段は、タンク内に設けられた第１の電極と第２の電極とを備え、第１の電極と第２の電極によりタンク内の水の電気伝導度とタンク内の水位を検出するようにしたので、電気伝導度と水位の検出手段の構造を更にコンパクト化することができるようになるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の燃料電池システムの制御装置の電気回路図である。
【図３】図１の燃料電池システムの他の実施例の制御装置の電気回路図である。
【符号の説明】
Ｓ  燃料電池システム
Ｔ  ＰＥＦＣ装置
１  原料供給源
２  脱硫器
６  燃料電池
６ａ  燃料極（アノード）
６ｂ  空気極（カソード）
６ｃ  冷却部
６ｄ  固体高分子電解質膜
７  貯湯タンク
８  水処理装置
１１  燃料加湿タンク
１２  空気加湿タンク
５１、５４  排水弁
５３  検出装置
５５  制御装置
５６  アノード側水経路
５７  冷却水経路
５８  カソード側水経路
６１  マイクロコンピュータ
６２、６３、６４、１０６、１０７  電極
【図１】
2004199981.tif 000003
【図２】
2004199981.tif 000004
【図３】
2004199981.tif 000005