(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池発電システムを安定して運転し、長寿命にするために、冷却水タンクの温度変動をできるだけ抑え、また、経年変化によるポンプ流量の変化や水不足によるシステムの安全性に対応すること。【解決手段】燃料電池発電システムの冷却水タンク１０内に第１の水位センサー１１及び第２の水位センサー１２を設け、第１及び第２の水位センサーの出力信号により制御部１３が、冷却水供給ポンプの運転及び停止および操作量を制御する。【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用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の冷却水を貯える冷却水タンクと、前記燃料電池より排出される酸化剤ガスが流れる前記酸化剤ガス流路に接続された水凝縮器と、前記水凝縮器で凝縮された酸化剤ガス中の水分を貯える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクの水を前記冷却水タンクに移送する冷却水供給ポンプと、前記冷却水供給ポンプから前記冷却水タンクに移送される水中のイオンを除去するイオン交換樹脂部と、前記冷却水タンク内に設置された少なくとも２個の水位センサーと、第１の水位センサーのＯＮ−ＯＦＦ信号により前記冷却水供給ポンプの運転及び停止を行い、前記第１の水位センサーの下方に位置する第２の水位センサーの信号により前記冷却水供給ポンプの操作量を制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の冷却水を貯える冷却水タンクと、前記燃料電池より排出される酸化剤ガスが流れる前記酸化剤ガス流路に接続された水凝縮器と、前記水凝縮器で凝縮された酸化剤ガス中の水分を貯える凝縮水タンクと、凝縮水タンクの水を前記冷却水タンクに移送する冷却水供給ポンプと、前記冷却水供給ポンプから前記冷却水タンクに移送される水中のイオンを除去するイオン交換樹脂部と、前記冷却水タンク内に設置された少なくとも１個の水位センサーと、前記水位センサーのＯＮ−ＯＦＦ信号により前記冷却水供給ポンプの運転及び停止を行うとともに、前記水位センサーのＯＮ信号出力からＯＦＦ信号出力までの時間の変動に基づいて、前記冷却水供給ポンプの操作量を制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記冷却水タンクおよび前記凝縮水タンクの少なくとも一方の、タンク内部またはタンク出口通路に水温検知手段を備え、前記水位センサーの信号、および前記水温検知手段の信号により、前記冷却水供給ポンプの操作量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記冷却水供給ポンプの操作量は、システムの運転モードに対応した設定値を有し、前記設定値は、前記運転モードにおける操作量に基づいて更新されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記冷却水タンクの水位が所定値以下の場合、あるいは、水位が所定値以下の時間が所定時間を超えた場合、又は、冷却水供給ポンプの操作量が所定上限値になった場合に、システムを停止させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素などの燃料ガスと酸素などの酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池発電システムの水処理手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムの水処理装置の構成としては、図４に示されるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下に、図４を用いて、従来の燃料電池発電システムの水処理装置の純水製造フロー図を説明する。
【０００４】
５１は原水を貯留する原水タンク、５２は原水ポンプ、５３は原水ポンプを起動、停止させる起動停止手段としてのリレー回路、５４は原水中のイオン化した電解質の大部分を除去する逆浸透膜装置、５５は逆浸透膜装置で除去されなかった処理水中の電解質をさらに除去して純水を製造するイオン交換樹脂装置、５６は純水を貯留する純水タンク、５６Ａは純水タンクに設けられ純水タンク内の水位を検出する水位検出手段としての差圧式液面計、５７は純水ポンプ、５８は純水の流量を調節する調節弁、５９はスチームを製造する気液分離器、５９Ａは気液分離器に設けられた水位監視装置である。
【０００５】
純水タンク５６内の純水の水位が低い時には、液面計５６Ａからの水位信号によりリレー回路５３が作動して原水ポンプ５２が起動し、逆浸透膜装置５４、イオン交換樹脂装置５５で純水が製造され純水タンク５６に送られる。純水タンク５６内の純水は純水ポンプ５７により気液分離器５９に供給され、供給水量は気液分離器５９に設けられた水位監視装置５９Ａからの水位信号で水位が一定となるように開閉される調節弁５８で調節される。また、気液分離器５９では、燃料電池発電設備の原料スチームが発生し、そのスチームは配管６０より改質器に供給される。
【特許文献１】特開平１０−２３５３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池部を冷却するための冷却水を貯える冷却水タンク中の水の温度は燃料電池発電システムを安定して運転し、さらに長寿命にするためには、温度変動をできるだけ抑える必要がある。
【０００７】
しかしながら、上記従来例のような燃料電池発電システムの水処理装置は、イオン交換樹脂の交換周期を大きくしてランニングコストを低減させることを目的としており、純水タンクを冷却水タンクとして使用する場合の上記の温度変動を可能な限り抑制するという要件は考慮されていない。また、経年変化によるポンプ流量の変化（ポンプ単体の流量低下やフィルターの目詰り）や水不足によるシステムの安全性に対応できていない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の燃料電池システムの水処理装置が有する課題を考慮して、経年変化や安全性を考慮しながら、安定した運転を行う燃料電池発電システムの水処理手段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】
【０００９】
上記課題を解決するための、第１の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を行う燃料電池と、前記燃料電池の冷却水を貯える冷却水タンクと、前記燃料電池より排出される酸化剤ガスが流れる前記酸化剤ガス流路に接続された水凝縮器と、前記水凝縮器で凝縮された酸化剤ガス中の水分を貯える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクの水を前記冷却水タンクに移送する冷却水供給ポンプと、前記冷却水供給ポンプから前記冷却水タンクに移送される水中のイオンを除去するイオン交換樹脂部と、前記冷却水タンク内に設置された少なくとも２個の水位センサーと、第１の水位センサーのＯＮ−ＯＦＦ信号により前記冷却水供給ポンプの運転及び停止を行い、前記第１の水位センサーの下方に位置する第２の水位センサーの信号により前記冷却水供給ポンプの操作量を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の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を行う燃料電池と、前記燃料電池の冷却水を貯える冷却水タンクと、前記燃料電池より排出される酸化剤ガスが流れる前記酸化剤ガス流路に接続された水凝縮器と、前記水凝縮器で凝縮された酸化剤ガス中の水分を貯える凝縮水タンクと、凝縮水タンクの水を前記冷却水タンクに移送する冷却水供給ポンプと、前記冷却水供給ポンプから前記冷却水タンクに移送される水中のイオンを除去するイオン交換樹脂部と、前記冷却水タンク内に設置された少なくとも１個の水位センサーと、前記水位センサーのＯＮ−ＯＦＦ信号により前記冷却水供給ポンプの運転及び停止を行うとともに、前記水位センサーのＯＮ信号出力からＯＦＦ信号出力までの時間の変動に基づいて、前記冷却水供給ポンプの操作量を制御する制御手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
第３の本発明の燃料電池システムは、前記冷却水タンクおよび前記凝縮水タンクの少なくとも一方の、タンク内部またはタンク出口通路に水温検知手段を備え、前記水位センサーの信号、および前記水温検知手段の信号により、前記冷却水供給ポンプの操作量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
第４の本発明の燃料電池システムは、前記冷却水供給ポンプの操作量は、システムの運転モードに対応した設定値を有し、前記設定値は、前記運転モードにおける操作量に基づいて更新されることを特徴とする。
【００１３】
第５の本発明の燃料電池システムは、前記制御手段は、前記冷却水タンクの水位が所定値以下の場合、あるいは、水位が所定値以下の時間が所定時間を超えた場合、又は、冷却水供給ポンプの操作量が所定上限値になった場合に、システムを停止させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムでは、水位センサーのＯＮ／ＯＦＦのディファレンシャル程度の水位差で冷却水の供給を行うので、冷却水タンク内の水温変化を小さくでき、燃料電池発電システムを安定して運転することができる。
【００１５】
さらに、冷却水タンク内の水位から冷却水供給ポンプの出力低下を検知し、冷却水供給ポンプの出力の増加量を設定できるため、フィルター詰まりなどによるポンプ流量の低下などの経年変化に対応できる。
【００１６】
加えて、冷却水供給ポンプの操作量が予め設定された上限値以上になると、システムの異常検知（メンテナンスが必要）ということでシステムを停止し、システムの安全性を確保できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施の形態を、燃料電池システムを例に取り、図面を参照して説明する。
【００１８】
（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代表的な燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【００１９】
図１に示すように、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池部１、水素生成器部２からなる燃料ガスの供給系、加湿器３および水凝縮器４からなる酸化剤ガスの供給系、冷却水ポンプ５、熱交換器６からなる燃料電池部１の冷却系、凝縮水タンク７、冷却水供給ポンプ８、イオン交換樹脂部９、冷却水タンク１０、冷却水タンク１０内に設けられた本発明の第１の水位センサー１１、本発明の第２の水位センサー１２、制御部１３からなる水処理系、および貯湯ポンプ１４、貯湯タンク１５からなる貯湯回路系を備えている。
【００２０】
次に、上記のような本実施の形態の燃料電池システムの動作を説明する。
【００２１】
燃料ガス供給系では、水素生成器部２で、都市ガス、天然ガスまたはプロパンなどの炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質し、水素リッチな燃料ガスを生成して燃料電池部１に供給する。
【００２２】
燃料電池部１で発電反応に消費されずに燃料電池部１から排出される燃料ガス（オフガス）は、水素生成器部２内の燃焼器（図示せず）で燃焼し、水素リッチな燃料ガスを生成するのに必要な温度維持に使用される。
【００２３】
酸化剤ガス供給系では、空気などの酸素を含む酸化剤ガスは、必要に応じて備えられた加湿器３で加湿され、燃料電池部１に供給される。
【００２４】
燃料電池部１内で、前記酸化剤ガスは燃料ガスと反応して発電を行った後、残った酸化剤ガスは、水凝縮器４内で冷却され、ガス中の水蒸気は凝縮水となって凝縮水タンク７に回収される。
【００２５】
ところで、凝縮水タンク７内の凝縮水は、冷却水タンク１０に備えられた第１の水位センサー１１のＯＮ−ＯＦＦ信号で起動及び停止する冷却水供給ポンプ８により、イオン交換樹脂部９を通り金属イオンなどの不純物を取り除かれて、冷却水タンク１０に送られる。この際、ＯＮ信号出力時とＯＦＦ信号出力時の水位差は、冷却水タンク１０内の水温変動を抑えるレベルに設定されている。
【００２６】
また、第２の水位センサー１２は、この位置まで水位が低下したことを検出した場合、ＯＮ信号、ＯＦＦ信号、及びアナログ信号のいずれかを出力することで、制御部１３により、冷却水供給ポンプの送水流量が不足している（経年変化などが理由）と判断される。つまり、前記第２の水位センサーは、ポンプの操作量を上げるためのトリガーとしての役目を果たす。さらには、このポンプの出力の増加量を設定するための役目も果たす。上記水位センサーは、これらの目的に応じた位置に配設される。
【００２７】
冷却水タンク１０に送られた水は、冷却水ポンプ５により、燃料電池部１、熱交換器６、冷却水タンク１０を循環する。この際、燃料電池部１で発生した反応熱を熱交換器６で放熱して、燃料電池部１を冷却すると同時に、冷却水タンク１０内の水は、改質水ポンプ１６などにより必要箇所に送られ、燃料電池発電システム内で改質用の水などに再利用される。
【００２８】
また、熱媒（水など）を、水凝縮器４と熱交換器６に流し、水蒸気を凝縮する際に発生する凝縮熱や燃料電池部１で発生する反応熱を回収し、貯湯タンク１５内の貯湯水を暖めて、暖房や給湯に使用する。
【００２９】
以上のような、本実施の形態の燃料電池システムは、以下のような効果を有する。
【００３０】
まず、水位センサーのＯＮ−ＯＦＦのディファレンシャル程度の水位差で冷却水の供給を行うので、冷却水タンク内の水温変化を小さくでき、燃料電池発電システムを安定して運転することができる。
【００３１】
さらに、冷却水タンク内の目標水位と実水位との差から冷却水供給ポンプの出力低下を検知し、冷却水供給ポンプの出力の増加量を設定することで、フィルター詰まりなどによるポンプ流量の低下などの経年変化に対応できる。
【００３２】
加えて、上述の第２の水位センサーから信号が出力され、冷却水供給ポンプを所定の増加された操作量で、所定時間運転しても第１の水位センサーの位置まで水位が戻らない場合、さらに操作量を増加させ、所定時間運転する。この一連の操作を第１の水位センサーの位置に戻るまで通常繰り返すが、ポンプの操作量がある時点で設定された上限値以上になると、制御部１３は、燃料電池発電システムの異常（メンテナンスが必要）と判断し、燃料電池発電システムを停止し、燃料電池発電システムの安全性を確保する。
【００３３】
なお、熱媒の流れは、図１では、水凝縮器４、燃料電池部１で発生した反応熱を放熱する熱交換器６の順に図示しているが、別の順に流しても良いことや、水凝縮器は燃料ガス側にも設けて良いのは言うまでもない。
【００３４】
（実施の形態２）
本実施の形態２における燃料電池発電システムの部分構成について、図２を参照しながら説明する。
【００３５】
なお、以下、実施の形態１と同一構成には同一番号を付し、その構成の説明を省略する。
【００３６】
図２に示すように、凝縮水タンク７内の水は、冷却水タンク１０内の水位センサー１７のＯＮ−ＯＦＦ信号で起動及び停止する冷却水供給ポンプ８により、イオン交換樹脂部９を通り金属イオンなどの不純物を取り除かれて、冷却水タンク１０に送られる。この際、ＯＮ信号出力時とＯＦＦ信号出力時の水位差は、実施の形態１と同様に、冷却水タンク１０内の水温変動を抑えるレベルに設定されている。
【００３７】
また、水位センサー１７のＯＮ−ＯＦＦ信号からＯＮ信号出力からＯＦＦ信号出力までの時間の変動を計測し、前記時間値と初期設定値との対比で、冷却水供給ポンプ８の操作量を加減する制御部１８を備えた構成となっている。
【００３８】
また、この操作量は、制御部１８に内臓の記憶手段（メモリ等：図示せず）に記憶（変更）され、次の運転時には、前回記憶（変更）された操作量で運転を行うと効率的である。
【００３９】
また、上記のようなポンプ操作量の更新機能は、複数の運転モードを有する燃料電池システムの場合は、運転モード毎に操作量を記憶し、各運転モード毎に操作量を更新する。
【００４０】
この様な構成にすることにより、実施の形態１と同様の効果は勿論のこと、水位センサーも少なくて済む(部品点数が少ない）という効果がある。
【００４１】
（実施の形態３）
本実施の形態３における燃料電池発電システムの水処理系の部分構成について、図３ａ、図３ｂを参照しながら説明する。
【００４２】
図３ａに示すように、凝縮水タンク７、冷却水供給ポンプ８、イオン交換樹脂部９、冷却水タンク１０、冷却水タンク１０内の水位センサー１１、１２、制御部１９、凝縮水タンク７と冷却水タンク１０の水温を検知するための温度センサー２０、２１で構成されている。
【００４３】
次に、このような本実施の形態の動作を説明する。
【００４４】
凝縮水タンク７内には、実施の形態１で説明した水凝縮器４で貯湯タンク１５の貯湯水と熱交換することにより凝縮された凝縮水が回収されるため、凝縮水タンク７内の凝縮水の温度は貯湯水の温度に影響を受けて一定ではない。この凝縮水が、冷却水タンク１０に備えられた水位センサー１１のＯＮ−ＯＦＦ信号で起動及び停止する冷却水供給ポンプ８により、イオン交換樹脂部９を通り金属イオンなどの不純物を取り除かれて、冷却水タンク１０に送られる。
【００４５】
図３ｂに示すように、冷却水供給ポンプ８の操作量が大きい場合や、冷却水供給ポンプ８の操作量が同じでも温度センサ−２０で検知された凝縮水の温度が低い場合は、Ｂに示されるように、温度センサ−２１で感知される冷却水タンク１０内の水温変動は大きくなる。
【００４６】
そこで、冷却水タンク１０内の水温変動を、目標値Ｔ0内に抑えて冷却水を必要量だけ供給するように、凝縮水の水温及び冷却水の水温の情報に基づいて冷却水供給ポンプ８の操作量を制御部１９で設定する。なお、上記ポンプ８の操作量の設定は、冷却水の水温または凝縮水の水温のいずれか一方の情報のみでも可能である。冷却水の水温の場合は、この水温の経時変化をモニタしながら操作量を増減させれば良い。
【００４７】
一方、凝縮水温度の情報に基づいて設定する場合は、上述の実施形態のような水位センサーに信号に基づくポンプ操作により冷却水温度及び冷却水タンクの水位は、大きな変動はなく、所定の範囲内にあると予測し、これらの予測に基づく値と凝縮水の水温の情報に基づきポンプの操作量の設定が可能となる。
【００４８】
また、この操作量は、制御部１９に内臓の記憶手段（メモリ等：図示せず）に記憶（変更）され、次の運転時には、凝縮タンクの水温や燃料電池システムの運転モードに基づいて、最適な操作量を前記記憶手段から割り出す。
【００４９】
また、第２の水位センサー１２が、この位置まで水位が低下したことを検知した場合、ＯＮ信号、ＯＦＦ信号、またはアナログ信号のいずれかを出力することで、制御部１９により冷却水供給ポンプの送水流量が不足していると判断される。つまり、前記第２の水位センサーは、ポンプの操作量を上げるためのトリガーとしての役目を果たすと同時に、水位が所定値以下の時間が所定時間を超えた場合に、システムを停止させる制御において水位が所定値以下であることを検知する水位検知手段としても用いている。
【００５０】
この様な構成にすることにより、実施の形態１と同様に冷却水ポンプの経年劣化に対応できるだけでなく、冷却水ポンプの異常検知もでき、システムの安全性を確保できる。なお、本実施の形態では、温度センサー２０、２１はタンク出口側の配管に取り付けた例を示しているが、タンク内に設置しても良いこと、また、水位センサー１２は、上述のように水位が設定値以下の時間が設定時間を超えた場合に、システムを停止させる制御において所定の設定値以下の水位を検知する水位検知手段に用いているが、別の水位センサーを用いて、上記機能を代用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の燃料電池システムは、冷却水タンクの温度変動をできるだけ抑え、かつ、経年変化によるポンプ流量の変化や水不足によるシステムの安全性に対応することが可能となるという効果を有し、家庭用燃料電池システム、自動車用燃料電池システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】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を示す模式図
【図２】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部分構成図
【図３】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの部分構成図
【図４】従来の燃料電池システム用水処理装置を示す構成図
【符号の説明】
【００５３】
１    燃料電池部
２    水素生成器部
３    加湿器
４    水凝縮器
５    冷却水ポンプ
６    熱交換器
７    凝縮水タンク
８    冷却水供給ポンプ
９    イオン交換樹脂部
１０    冷却水タンク
１１    第１の水位センサー
１２    第２の水位センサー
１７    水位センサー
１３，１８，１９    制御部
２０，２１    温度センサー
【図１】
2005122959.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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