特許 7505905 燃料電池システム、制御装置、及び制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】燃料電池システム、制御装置、及び制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240618BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240618BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240618BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240618BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240618BHJP

   F24H 1/00 20220101ALI20240618BHJP

   F24H 1/18 20220101ALI20240618BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240618BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04 Z

H01M8/0432

H01M8/00 Z

H01M8/04746

H01M8/0438

F24H1/00 631Z

F24H1/18 Z

H01M8/12 101

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020065331

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021163656

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2022-09-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000109026

【氏名又は名称】ダイニチ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 崇之

(72)【発明者】

【氏名】香田 淳也

(72)【発明者】

【氏名】木村 駿介

(72)【発明者】

【氏名】小黒 裕希

(72)【発明者】

【氏名】早川 直

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１３８６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－５５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－７０８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１９４６６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

Ｆ２４Ｈ １／００，１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電を行う燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットと、
前記燃料電池ユニットにおいて上水による水張りの対象とされる配管及びタンクを含む水張り対象部と、
前記水張り対象部に水張りを行う際に、前記燃料電池ユニットの周囲の気温が閾値以下である場合に、水張りを禁止し、禁止したことを通知する制御を行う制御部を含む制御装置と、
を備えた燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池ユニットの周囲の気温についての温度履歴を記憶する記憶部を更に備え、
前記閾値は、前記温度履歴に基づき設定されている
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

水張りの禁止を強制的に解除するための解除スイッチを更に備え、
前記制御部は、前記解除スイッチが操作され、かつ、所定の判定条件を満たす場合に、水張りの禁止を解除する制御を行う
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記制御部は、水張りの禁止を解除するか否かを判定するタイミングが到来し、かつ、所定の判定条件を満たす場合に、水張りの禁止を解除する制御を行う
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料電池ユニットは、
前記燃料電池モジュールの発電により生じた排ガスの熱を熱交換で回収する上水を蓄える貯湯タンクと、
前記熱交換を行う排気熱交換器と、
前記貯湯タンクの下部と前記排気熱交換器との間に設けられた熱回収ポンプと、
を備え、
前記所定の判定条件は、前記水張り対象部への水張りを開始した後に、前記熱回収ポンプの回転数が所定の回転数未満であること、及び、前記貯湯タンクの水位が所定の水位未満であること、の少なくとも一方である
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

発電を行う燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットと、
前記燃料電池ユニットにおいて上水による水張りの対象とされる配管及びタンクを含む水張り対象部と、
を備えた燃料電池システムの運転を制御する制御装置であって、
前記水張り対象部に水張りを行う際に、前記燃料電池ユニットの周囲の気温が閾値以下である場合に、水張りを禁止し、禁止したことを通知する制御を行う制御部
を含む制御装置。

【請求項7】

コンピュータを、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の制御装置が備える制御部として機能させるための制御プログラム。

【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、制御装置、及び制御プログラムに関し、詳しくは、電力と湯の供給が可能な燃料電池システム、制御装置、及び制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の燃料電池システムは、報知手段を備え、報知手段が、空の貯湯槽や経路等への水張りを行う際に、所定水位を検知すると、水張りが終了したことを報知する、あるいは、開閉弁を開いてから所定時間が経過しても所定水位を検知しない場合に、水張りが異常であることを報知するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、従来技術には、循環流量センサによる検出流量に基づいて、循環路への水張りを停止する水張り運転制御を実行しているものもある（例えば、特許文献２参照）。

【0004】

また、従来技術には、暖房システムに電源を投入した際に、暖房システムの試運転が正常に終了しており、かつ、暖房タンク内の水位が所定レベル以下である場合のみ、この暖房システムの循環通路に循環水の水張りを自動的に行うものもある（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００４－０６０９８１号公報

【文献】特開２００２－００５５２８号公報

【文献】特開２００５－０６９６３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１に記載された従来技術は、所定水位を検知すると、水張り終了を報知することができる。しかしながら、低温環境下で水張りを行ってしまうと凍結によって配管等を破損してしまう場合がある。

【0007】

また、上記特許文献２及び特許文献３に記載された従来技術はいずれも水張りを自動的に行うことができる。しかしながら、上記特許文献１と同様に、低温環境下で水張りを行ってしまうと凍結によって配管等を破損してしまう場合がある。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてされたものであって、低温環境下での水張りによる配管等の破損を防止することができる燃料電池システム、制御装置、及び制御プログラ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】

【0009】

上記目的を達成するために、第１態様に係る燃料電池システムは、発電を行う燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットにおいて上水による水張りの対象とされる配管及びタンクを含む水張り対象部と、前記水張り対象部に水張りを行う際に、前記燃料電池ユニットの周囲の気温が閾値以下である場合に、水張りを禁止し、禁止したことを通知する制御を行う制御部を含む制御装置と、を備えている。

【0010】

第１態様に係る燃料電池システムによれば、低温環境下での水張りによる配管等の破損を防止することができる。

【0011】

また、第２態様に係る燃料電池システムは、前記燃料電池ユニットの周囲の気温についての温度履歴を記憶する記憶部を更に備え、前記閾値が、前記温度履歴に基づき設定されている。

【0012】

第２態様に係る燃料電池システムによれば、温度履歴を用いることにより、適切な閾値を設定することができる。

【0013】

また、第３態様に係る燃料電池システムは、水張りの禁止を強制的に解除するための解除スイッチを更に備え、前記制御部が、前記解除スイッチが操作され、かつ、所定の判定条件を満たす場合に、水張りの禁止を解除する制御を行う。

【0014】

第３態様に係る燃料電池システムによれば、ユーザが解除スイッチを操作することにより、水張りを可能とする機会を増やし、設置運用コストの低減を図ることができる。

【0015】

また、第４態様に係る燃料電池システムは、前記制御部が、水張りの禁止を解除するか否かを判定するタイミングが到来し、かつ、所定の判定条件を満たす場合に、水張りの禁止を解除する制御を行う。

【0016】

第４態様に係る燃料電池システムによれば、解除判定タイミングの到来を判定することにより、水張りを可能とする機会を増やし、設置運用コストの低減を図ることができる。

【0017】

また、第５態様に係る燃料電池システムは、前記燃料電池ユニットが、前記燃料電池モジュールの発電により生じた排ガスの熱を熱交換で回収する上水を蓄える貯湯タンクと、前記熱交換を行う排気熱交換器と、前記貯湯タンクの下部と前記排気熱交換器との間に設けられた熱回収ポンプと、を備え、前記所定の判定条件が、前記水張り対象部への水張りを開始した後に、前記熱回収ポンプの回転数が所定の回転数未満であること、及び、前記貯湯タンクの水位が所定の水位未満であること、の少なくとも一方とされている。

【0018】

第５態様に係る燃料電池システムによれば、水張り対象部に対して水張りが可能であることを確認してから、水張り禁止を解除することができる。

【0019】

更に、上記目的を達成するために、第６態様に係る制御装置は、発電を行う燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットにおいて上水による水張りの対象とされる配管及びタンクを含む水張り対象部と、を備えた燃料電池システムの運転を制御する制御装置であって、前記水張り対象部に水張りを行う際に、前記燃料電池ユニットの周囲の気温が閾値以下である場合に、水張りを禁止し、禁止したことを通知する制御を行う制御部を含む。

【0020】

第６態様に係る制御装置によれば、第１態様に係る燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。

【0021】

更に、上記目的を達成するために、第７態様に係る制御プログラムは、コンピュータを、第１態様～第５態様のいずれか１の態様に係る制御装置が備える制御部として機能させる。

【0022】

第７態様に係る制御プログラムによれば、第１態様～第５態様のいずれか１の態様に係る燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。

【発明の効果】

【0023】

以上詳述したように、本発明によれば、低温環境下での水張りによる配管等の破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。

【図2】第１の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成の一例を示す図である。

【図3】第１の実施形態に係る制御装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。

【図4】第１の実施形態に係る制御装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。

【図5】第１の実施形態に係る制御プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【図6】第２の実施形態に係る制御プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【図7】第３の実施形態に係る制御プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。

【0026】

[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の構成の一例を示す図である。

【0027】

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、大きく分けて、燃料電池ユニット１２と、熱源機ユニットの一例である給湯ユニット１４との２ユニットで構成されている。なお、燃料電池ユニット１２は、後述する貯湯タンク４８を収容する貯湯タンクユニットを別体としてもよく、この場合、３ユニットで構成される。

【0028】

燃料電池ユニット１２は、燃料ガス及び水を用いて発電を行う。また、貯湯タンク４８を備え、発電により生じた熱を熱交換で回収する伝熱媒体としての水を貯湯タンク４８に蓄える。給湯ユニット１４は、燃料電池ユニット１２で加熱された上水を目的の温度まで加熱して供給する。なお、貯湯タンク４８には、一例として、開放式のタンクを用いているが、加圧式のタンクを用いてもよい。

【0029】

燃料電池ユニット１２は、発電を行う燃料電池の一例である燃料電池モジュール２０を備えている。燃料電池モジュール２０は、ガス供給路２１を介して、ガス継手２２に接続されており、ガス継手２２には、ガス供給管２４が接続されている。ガス供給管２４は、後述する給湯ユニット１４のバーナ１５０へ向かう流路と燃料電池モジュール２０へ向かう流路とに分岐されている。当該分岐を分岐部２４Ａと称する。

【0030】

ガス供給管２４は、ガス本管（図示省略）に接続されており、ガス供給管２４には、炭化水素原料の一例であるメタンを主成分とする都市ガスが供給される。ガス供給路２１には、脱硫部２６が設けられており、都市ガスに含まれた硫黄分や硫黄化合物が脱硫部２６で除去されて燃料電池モジュール２０に供給される。

【0031】

また、燃料電池モジュール２０は、供給ポンプ２８を有する改質水流入路３０を介して貯留槽３２に接続されており、燃料電池モジュール２０には、貯留槽３２に貯留された改質水が供給ポンプ２８で供給される。この燃料電池モジュール２０には、空気ブロワ２１１が設けられた酸化ガス管２１２が接続されており、酸化ガス管２１２を介して、酸化ガス（外部の空気）が供給される。この燃料電池モジュール２０は、都市ガスと改質水とを改質反応させて水素を生成する水素生成部（改質器）を備えている。

【0032】

図２は、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール２０の構成の一例を示す図である。

【0033】

図２に示すように、燃料電池モジュール２０は、筐体２０１の内部に、改質触媒２０２、バーナ２０３、及び燃料電池スタック２０５を主要な構成として備えている。

【0034】

改質触媒２０２は、ガス供給路２１と接続されている。この改質触媒２０２には、脱硫部２６にて硫黄化合物が吸着除去された都市ガスがガス供給路２１を通じて供給される。この改質触媒２０２は、供給された都市ガスを、改質水流入路３０を通じて供給された改質水（凝縮水）を利用して水蒸気改質する改質器である。

【0035】

バーナ２０３には、後述する排出路３４が接続されている。このバーナ２０３は、スタック排ガス管２０７を通じて供給されたバーナガス（スタックから排出されるガス）を燃焼し、改質触媒２０２を加熱する。そして、この改質触媒２０２では、脱硫部２６から供給された都市ガスから、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス管２０４を通じて後述する燃料電池スタック２０５の燃料極２０６に供給される。

【0036】

燃料電池スタック２０５は、例えば、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セル２０８（図２では１つのみ図示）を有している。各燃料電池セル２０８は、電解質層２０９と、この電解質層２０９の表裏面にそれぞれ積層された燃料極２０６と空気極２１０とを有している。

【0037】

空気極２１０（カソード極）には、空気ブロワ２１１が設けられた酸化ガス管２１２を通じて酸化ガス（外部の空気）が供給される。この空気極２１０では、下記式（１）で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層２０９を通って燃料極２０６に到達する。

【0038】

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ ・・・（１）

【0039】

一方、燃料極２０６では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層２０９を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極２０６で生成された電子は、外部回路を通って空気極２１０に到達する。そして、このようにして電子が燃料極２０６から空気極２１０に移動することにより、各燃料電池セル２０８において発電される。また、各燃料電池セル２０８は、発電時に上記反応に伴って発熱する。

【0040】

（燃料極反応）
Ｈ_２ ＋Ｏ^２－ →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^２－ →ＣＯ_２＋２ｅ^－ ・・・（３）

【0041】

燃料電池スタック２０５に接続されたスタック排ガス管２０７の上流側は、燃料極排ガス管２１４及び空気極排ガス管２１５に分岐されており、この燃料極排ガス管２１４及び空気極排ガス管２１５は、燃料極２０６及び空気極２１０にそれぞれ接続されている。燃料極２０６から排出された燃料極排ガスと、空気極２１０から排出された空気極排ガスとは、燃料極排ガス管２１４及び空気極排ガス管２１５を通じて排出されると共に、スタック排ガス管２０７内にて混合されてスタック排ガスとされる。このスタック排ガスは、燃料極排ガスに含まれる未反応の水素ガスを含んでおり、上述の通り、バーナ２０３にバーナガスとして供給される。なお、このバーナ２０３に、バーナ排ガスを排気熱交換器３６へ排出する排出路３４が接続されている。

【0042】

燃料電池モジュール２０には、水素生成部での改質反応促進の為に利用した燃焼排ガスを排出する排出路３４が接続されている。排出路３４には、排気熱交換器３６が設けられており、排気熱交換器３６より下流側が貯留槽３２に接続されている。燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、排気熱交換器３６で後述する伝熱媒体５０との熱交換により冷却され、含有されている水蒸気が凝縮される。これにより、燃焼排ガスは、水とガスとに分けられ、水は貯留槽３２へ送られて改質水として再利用される。また、ガスは、排気口（図示省略）より排気される。

【0043】

貯留槽３２には、排水ポンプ１００を有した排水路１０２が接続されており、排水路１０２は、排水継手１０２ａに接続された排水管１０４を介して下水道に接続されている。排水ポンプ１００は、貯留槽３２の水が所定量以上になった際に作動し、貯留槽３２内の水を、排水管１０４を介して下水道に排出する。

【0044】

燃料電池モジュール２０は、上述したように、水素生成部で生成した水素を利用して発電を行う燃料電池スタック２０５を備えている。燃料電池モジュール２０の燃料電池スタック２０５で発電された電力は、インバータ回路３８によって交流に変換された後、接続端子４０ａに接続された供給線９２ａを介して外部へ供給される。

【0045】

排気熱交換器３６には、伝熱媒体５０を排気熱交換器３６と貯湯タンク４８との間で循環させる熱回収循環路４２が接続されている。排気熱交換器３６と貯湯タンク４８とを接続する熱回収循環路４２の一方の流路である第一流路４２ａには、熱回収ポンプ４４及びラジエータ４６が設けられている。この第一流路４２ａのラジエータ４６より上流側は、貯湯タンク４８に接続されている。貯湯タンク４８には、伝熱媒体５０が貯留されており、伝熱媒体５０としては、一例として水が使用されている。貯湯タンク４８の上部は大気開放されている。また、貯湯タンク４８には、貯湯タンク内の上水の水位を計測する水位センサ５２が設けられている。

【0046】

この第一流路４２ａは、貯湯タンク４８の下部に接続されており、貯湯タンク４８の下部に貯留された伝熱媒体５０が優先的に排気熱交換器３６へ送られる。貯湯タンク４８から熱回収循環路４２の第一流路４２ａに供給された伝熱媒体５０は、ラジエータ４６で冷却された後、熱回収ポンプ４４によって排気熱交換器３６へ送られる。なお、ラジエータ４６は、供給される伝熱媒体５０が高温の際など必要に応じてファンモータが作動する。

【0047】

貯湯タンク４８から第一流路４２ａを介して排気熱交換器３６へ送られた伝熱媒体５０は、熱回収循環路４２の他方の流路である第二流路４２ｅを介して貯湯タンク４８に戻される。第二流路４２ｅは、貯湯タンク４８の上部に接続されている。燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスの熱は、排気熱交換器３６によって伝熱媒体５０へ移動され、この熱で加熱された伝熱媒体５０は、貯湯タンク４８の上部に戻される。これにより、燃料電池モジュール２０で発生した熱により貯湯タンク４８内の伝熱媒体５０が加熱される。

【0048】

貯湯タンク４８に貯留された伝熱媒体５０は、熱回収循環路４２と異なる熱供給循環路５８を介して、燃料電池ユニット１２に設けられた上水熱交換器５４に供給される。これにより、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０は、熱供給循環路５８に設けられた上水熱交換器５４を経て貯湯タンク４８へ戻される。

【0049】

熱供給循環路５８の上水熱交換器５４よりも上流側の第一流路５８ａには、熱供給ポンプ５６が設けられている。熱供給ポンプ５６は、貯湯タンク４８の伝熱媒体５０の熱を利用して上水等を加熱する際に作動する。

【0050】

第一流路５８ａの上流端は、貯湯タンク４８の上部に接続されており、貯湯タンク４８の上部に貯留された伝熱媒体５０が第一流路５８ａへ送出される。第一流路５８ａの下流端は、上水熱交換器５４と接続され、貯湯タンク４８の上部に貯留された伝熱媒体５０が上水熱交換器５４へ供給される。熱供給循環路５８の下流側の第二流路５８ｅは、貯湯タンク４８の下部に接続されており、上水熱交換器５４で熱が奪われた伝熱媒体５０は、貯湯タンク４８の下部側に戻される。

【0051】

上水熱交換器５４には、流入側分岐点６０ａを有する流入路６０が接続されている。流入路６０は、入側管継手６２に接続されている。入側管継手６２は、例えば水道管の給水管６４に接続されており、流入路６０には、上水が供給される。流入路６０から分岐して貯留槽３２へ上水を供給する上水供給路９３には、補水弁９４が設けられている。補水弁９４を開動作することで、上水を貯留槽３２に供給することができる。

【0052】

上水熱交換器５４には、流入路６０からの上水が熱交換後に流出する流出路６６が接続されている。流出路６６には、流出側分岐点６６ａが設けられており、流出側分岐点６６ａには、補水弁６８を有した補水路７１が接続されている。補水路７１は、熱供給循環路５８の第一流路５８ａに接続されており、補水弁６８を開作動することで、上水を伝熱媒体５０として、上水熱交換器５４の上流側から貯湯タンク４８へ供給することができる。

【0053】

流出路６６の流出側分岐点６６ａの下流には、混合弁７２が設けられている。混合弁７２は、バイパス路７４を介して流入側分岐点６０ａに接続されている。混合弁７２は、流入路６０からの上水と上水熱交換器５４からの上水とを混合する弁であり、例えば流出温度が予め定められた設定温度となるように、流入路６０からの上水と上水熱交換器５４からの上水との混合比を調整する。

【0054】

流出路６６の混合弁７２より下流側は、出側継手７６に接続されており、出側継手７６は、出湯管７８を介して、給湯ユニット１４の入水継手８０に接続されている。

【0055】

燃料電池ユニット１２の筐体内部には、燃料電池ユニット１２の周囲の気温を計測するための温度センサＳが設けられている。また、燃料電池ユニット１２の筐体には、低温環境下での水張りを禁止した場合に、水張りの禁止を強制的に解除するための解除スイッチＳＷが設けられている。また、燃料電池ユニット１２の筐体には、操作用インターフェース（以下、「操作用Ｉ／Ｆ」という。）９５が設けられている。操作用Ｉ／Ｆ９５は、作業担当者が試運転、エラー確認等を行う際に使用する本体敷設の操作部である。

【0056】

また、給湯ユニット１４のガス継手８２には、ガス供給管２４が接続されており、給湯ユニット１４のバーナ１５０には、ガス供給管２４からの都市ガスが供給される。バーナ１５０の燃焼熱により、熱交換器１５４を通過する水が加熱される。

【0057】

給湯ユニット１４の給湯継手８４には、給湯管８６が接続されており、給湯管８６は、お湯が利用される給湯箇所へ配索されている。そして、給湯ユニット１４に接続された排水管８８は、下水道に接続されている。

【0058】

給湯ユニット１４の入水継手８０には、入水路１５２が接続されており、入水路１５２は、熱交換器１５４に接続されている。熱交換器１５４は、混合弁１５６を有する給湯路１５８を介して給湯継手８４に接続されており、混合弁１５６は、バイパス路１６０を介して入水路１５２の入水側分岐点１５２ａに接続されている。また、入水継手８０と入水側分岐点１５２ａとの間には、流量制御弁５３が設けられている。

【0059】

混合弁１５６は、入水路１５２からの上水と熱交換器１５４からの上水とを混合する弁であり、入水路１５２からの上水と熱交換器１５４からの上水との混合比を調整する。

【0060】

なお、給湯ユニット１４には、暖房用の暖房管や、ふろ追焚き用のふろ管などが配策されており、各々循環路を構成すると共に、熱交換器１５４での熱交換により循環路内の水が加熱される。これら暖房管、ふろ管については図示を省略している。

【0061】

給湯ユニット１４は、燃料電池ユニット１２で加熱された上水、暖房管、ふろ管内を流れる水を必要に応じて加熱するバックアップ用の熱源機として機能する。

【0062】

ガス供給管２４の分岐部２４Ａよりも上流側には、マイコンメータ７０が取り付けられている。マイコンメータ７０は、供給するガスの流量を計測すると共に、ガスの供給における異常を監視する複数の機能を有している。主たる監視機能としては、異常流出監視機能、感震機能、圧力監視機能、及び長時間使用監視機能等がある。

【0063】

燃料電池ユニット１２には、コントローラとしての制御装置１１０が設けられている。制御装置１１０により、燃料電池システム１０の動作が制御される。制御装置１１０は、燃料電池ユニット１２及び給湯ユニット１４の各々に設けられた各種電装部品の制御を行う。また、制御装置１１０には、リモコン装置５１が接続されている。リモコン装置５１は、ユーザからの操作入力を受け付けると共に、燃料電池システム１０の状態情報、エラー情報等の各種の情報を表示する。

【0064】

図３は、第１の実施形態に係る制御装置１１０の電気的な構成の一例を示すブロック図である。

【0065】

図３に示すように、本実施形態に係る制御装置１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１３と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１１４と、記憶部１１５と、外部インターフェース（以下、「外部Ｉ／Ｆ」という。）１１６と、を備えている。

【0066】

ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１３、及びＩ／Ｏ１１４は、バスを介して各々接続されている。Ｉ／Ｏ１１４には、記憶部１１５と、外部Ｉ／Ｆ１１６と、を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、Ｉ／Ｏ１１４を介して、ＣＰＵ１１１と相互に通信可能とされる。

【0067】

記憶部１１５としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等が用いられる。記憶部１１５には、燃料電池システム１０の動作を制御するための制御プログラム１１５Ａが記憶される。なお、この制御プログラム１１５Ａは、ＲＯＭ１１２に記憶されていてもよい。

【0068】

制御プログラム１１５Ａは、例えば、制御装置１１０に予めインストールされていてもよい。制御プログラム１１５Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又はネットワークを介して配布して、制御装置１１０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、光磁気ディスク、ＨＤＤ、ＤＶＤ-ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、フラッシュメモリ、メモリカード等が想定される。

【0069】

外部Ｉ／Ｆ１１６には、例えば、補水弁６８、補水弁９４、操作用Ｉ／Ｆ９５、リモコン装置５１、温度センサＳ、解除スイッチＳＷ、水位センサ５２、及び熱回収ポンプ４４が接続されている。これらの補水弁６８、補水弁９４、操作用Ｉ／Ｆ９５、リモコン装置５１、温度センサＳ、解除スイッチＳＷ、水位センサ５２、及び熱回収ポンプ４４は、外部Ｉ／Ｆ１１６を介して、ＣＰＵ１１１と通信可能に接続される。

【0070】

ところで、上述したように、燃料電池システム１０では、施工時及びメンテナンス時にユーザにより水張りが行われるが、低温環境下で水張りを行ってしまうと凍結によって配管等を破損してしまう場合がある。

【0071】

このため、本実施形態に係る制御装置１１０のＣＰＵ１１１は、記憶部１１５に記憶されている制御プログラム１１５ＡをＲＡＭ１１３に書き込んで実行することにより、図４に示す各部として機能する。

【0072】

図４は、第１の実施形態に係る制御装置１１０の機能的な構成の一例を示すブロック図である。

【0073】

図４に示すように、本実施形態に係る制御装置１１０のＣＰＵ１１１は、気温監視部１１１Ａ及び水張り制御部１１１Ｂとして機能する。なお、水張り制御部１１１Ｂは、制御部の一例である。

【0074】

本実施形態に係る気温監視部１１１Ａは、温度センサＳにより計測された気温を監視する。なお、ここでいう気温とは、上述したように、燃料電池ユニット１２の周囲の気温である。

【0075】

本実施形態に係る水張り制御部１１１Ｂは、燃料電池ユニット１２の水張り対象部に対して、補水弁６８及び補水弁９４を開にして、水張りを行う。ここで、水張り対象部とは、燃料電池ユニット１２において上水による水張りの対象とされる配管及びタンクを含む部分である。上述の図１の例の場合、水張り対象部には、貯留槽３２、上水供給路９３、改質水流入路３０、熱回収循環路４２、熱供給循環路５８、流入路６０、バイパス路７４、貯湯タンク４８、補水路７１、及び流出路６６が含まれる。なお、水張り対象部に含まれる配管及びタンクは、これらに限定されるものではなく、燃料電池システム１０の構成に応じて各種の形態が適用され得る。

【0076】

水張り制御部１１１Ｂは、気温監視部１１１Ａにより監視される気温が閾値以下である場合に、補水弁６８及び補水弁９４を閉にして、水張りを禁止し、禁止したことを通知する制御を行う。通知先は、備え付けのリモコン装置５１でもよいし、作業担当者の端末装置（図示省略、以下、「作業者端末」という。）でもよいし、リモコン装置５１及び作業者端末の両方でもよい。通知先は、本体に配置された操作用Ｉ／Ｆ９５でもよい。なお、閾値には、例えば、４℃以上７℃以下の範囲で適切な値が設定される。

【0077】

また、燃料電池ユニット１２の周囲の気温についての温度履歴１１５Ｂを記憶部１１５に記憶しておいてもよい。温度履歴１１５Ｂは、燃料電池ユニット１２の周囲の気温を計測して得られた計測温度の履歴である、温度履歴１１５Ｂは、施工時には蓄積されていないが、メンテナンス時には蓄積されている。このため、メンテナンス時に水張りを行う場合、上記閾値を記憶部１１５に記憶された温度履歴１１５Ｂに基づき設定するようにしてもよい。例えば、温度履歴１１５Ｂの各計測温度に、燃料電池ユニット１２の内部の水が凍結したか否かを対応付けておき、実際に凍結したときの計測温度を閾値としてもよい。なお、実際に凍結したときの計測温度が複数存在する場合には、この複数の計測温度のうちの例えば最高温度を閾値とすればよい。

【0078】

次に、図５を参照して、第１の実施形態に係る制御装置１１０の作用について説明する。

【0079】

図５は、第１の実施形態に係る制御プログラム１１５Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【0080】

燃料電池システム１０の施工時又はメンテナンス時において、作業担当者による操作に従って、ＣＰＵ１１１により記憶部１１５に記憶されている制御プログラム１１５Ａが起動され、以下に示す各ステップが実行される。

【0081】

図５のステップ３００では、ＣＰＵ１１１が、水張り開始の指示を受け付けたか否かを判定する。なお、水張り開始の指示は、リモコン装置５１又は作業者端末から入力される。水張り開始の指示を受け付けたと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３０１に移行し、水張り開始の指示を受け付けていないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３００で待機となる。

【0082】

ステップ３０１では、ＣＰＵ１１１が、燃料電池ユニット１２の周囲の気温が閾値以下であるか否かを判定する。なお、この閾値には、上述したように、例えば、４℃以上７℃以下の範囲で適切な値が設定される。また、メンテナンス時に水張りを行う場合、この閾値を記憶部１１５に記憶された温度履歴１１５Ｂに基づき設定するようにしてもよい。気温が閾値以下であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３０２に移行し、気温が閾値を超えていると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３０４に移行する。

【0083】

ステップ３０２では、ＣＰＵ１１１が、補水弁６８及び補水弁９４を閉とし、水張りを禁止する制御を行う。この禁止の制御により、水張り開始の指示を受け付けても補水弁６８及び補水弁９４は開かず、水張りは禁止される。

【0084】

ステップ３０３では、ＣＰＵ１１１が、水張りを禁止したことを通知する制御を行い、ステップ３０１に戻り処理を繰り返す。なお、通知先は、上述したように、例えば、リモコン装置５１でもよいし、作業者端末でもよいし、リモコン装置５１及び作業者端末の両方でもよい。通知先は、本体に配置された操作用Ｉ／Ｆ９５でもよい。

【0085】

一方、ステップ３０４では、ＣＰＵ１１１が、補水弁６８及び補水弁９４を開とし、水張りを許可する制御を行う。

【0086】

ステップ３０５では、ＣＰＵ１１１が、水張りを許可したことを通知する制御を行い、本制御プログラム１１５Ａによる一連の処理を終了する。なお、通知先は、上述したように、例えば、リモコン装置５１でもよいし、作業者端末でもよいし、リモコン装置５１及び作業者端末の両方でもよい。

【0087】

このように本実施形態によれば、施工時又はメンテナンス時に、低温環境下での水張りが禁止される。このため、燃料電池ユニット内での凍結によって配管等が破損することを防止することができる。

【0088】

[第２の実施形態]
本実施形態では、水張りの禁止を強制的に解除する解除スイッチを用いて、水張りの禁止を解除する形態について説明する。

【0089】

なお、本実施形態に係る制御装置は、上記第１の実施形態で説明した制御装置１１０と同様の構成を有しているものとし、その繰り返しの説明は省略し、上述の図４を参照して、相違点のみを説明する。

【0090】

本実施形態に係る水張り制御部１１１Ｂは、解除スイッチＳＷが操作され、かつ、所定の判定条件を満たす場合に、水張りの禁止を解除する制御を行う。ここでいう所定の判定条件とは、一例として、上記の水張り対象部（貯湯タンク４８等）への水張りを開始した後に、熱回収ポンプ４４の回転数が所定の回転数未満であること（以下、「第１条件」という。）、及び、貯湯タンク４８の水位が所定の水位未満であること（以下、「第２条件」という。）、の少なくとも一方である。なお、水張り制御部１１１Ｂは、熱回収ポンプ４４からその回転数を取得し、水位センサ５２から貯湯タンク４８の水位を取得する。

【0091】

ここで、水張り禁止の解除に際して、水張りを行う流路に凍結による閉塞がないか否かを確認することが望ましい。本実施形態に係る燃料電池システム１０では、ラジエータ４６が設けられた第一流路４２ａが比較的凍結し易い流路とされる。そこで、本実施形態では、ラジエータ４６と熱回収ポンプ４４との間に設けられた水抜き栓（図示省略）から水が出ること、貯湯タンク４８のオーバーフローから水が出ないこと、を確認する。これらを確認するための判定条件として、上記の第１条件及び第２条件が用いられる。

【0092】

第１条件は、上記水抜き栓を開いて水が出ることを確認するための条件である。例えば、第一流路４２ａが閉塞している場合、水抜き栓を開いても水が出ず、熱回収ポンプ４４にも水が供給されない。水の抵抗がない状態で熱回収ポンプ４４を運転すると、水の抵抗がある状態と比較して、回数数が高くなる。すなわち、水抜き栓を開いて水が出る状態では、熱回収ポンプ４４に水が供給され、所定の回転数未満で運転されると考えられる。なお、閾値とする所定の回転数には、例えば、熱回収ポンプ４４に水が供給されない、つまり、水の抵抗がないときの回転数が用いられる。

【0093】

また、第２条件は、貯湯タンク４８のオーバーフローから水が出ないことを確認するための条件である。例えば、第一流路４２ａが閉塞している場合、貯湯タンク４８から熱回収ポンプ４４に向けて水が流れず、貯湯タンク４８の水位が所定の水位以上となり、オーバーフローしてしまう。すなわち、貯湯タンク４８のオーバーフローから水が出ない状態では、貯湯タンク４８の水位は所定の水位未満になると考えられる。なお、閾値とする所定の水位には、例えば、貯湯タンク４８がオーバーフローするときの水位が用いられる。

【0094】

次に、図６を参照して、第２の実施形態に係る制御装置１１０の作用について説明する。

【0095】

図６は、第２の実施形態に係る制御プログラム１１５Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【0096】

燃料電池システム１０の施工時又はメンテナンス時において、作業担当者による操作に従って、ＣＰＵ１１１により記憶部１１５に記憶されている制御プログラム１１５Ａが起動され、以下に示す各ステップが実行される。

【0097】

図６のステップ３１０では、ＣＰＵ１１１が、水張り開始の指示を受け付けたか否かを判定する。なお、水張り開始の指示は、リモコン装置５１又は作業者端末から入力される。水張り開始の指示を受け付けたと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３１１に移行し、水張り開始の指示を受け付けていないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３１０で待機となる。

【0098】

ステップ３１１では、ＣＰＵ１１１が、燃料電池ユニット１２の周囲の気温が閾値以下であるか否かを判定する。気温が閾値以下であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３１２に移行し、気温が閾値を超えていると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３１８に移行する。

【0099】

ステップ３１２では、ＣＰＵ１１１が、補水弁６８及び補水弁９４を閉とし、水張りを禁止する制御を行う。この禁止の制御により、水張り開始の指示を受け付けても補水弁６８及び補水弁９４は開かず、水張りは禁止される。

【0100】

ステップ３１３では、ＣＰＵ１１１が、水張りを禁止したことを通知する制御を行う。なお、通知先は、上述したように、例えば、リモコン装置５１でもよいし、作業者端末でもよいし、リモコン装置５１及び作業者端末の両方でもよい。通知先は、本体に配置された操作用Ｉ／Ｆ９５でもよい。

【0101】

ステップ３１４では、ＣＰＵ１１１が、解除スイッチＳＷが押下されたか否かを判定する。解除スイッチＳＷが押下されたと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３１５に移行し、解除スイッチＳＷが押下されていないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３１１に戻り処理を繰り返す。

【0102】

ステップ３１５では、ＣＰＵ１１１が、補水弁６８及び補水弁９４を開とし、上述した水張り対象部（貯湯タンク４８等）への水張りを開始する。

【0103】

ステップ３１６では、ＣＰＵ１１１が、所定の判定条件を満たすか否かを判定する。ここでいう所定の判定条件とは、一例として、上述した第１条件及び第２条件の少なくとも一方である。所定の判定条件を満たすと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３１７に移行し、所定の判定条件を満たさないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３１２に戻り処理を繰り返す。

【0104】

ステップ３１７では、ＣＰＵ１１１が、水張りの禁止を解除する、つまり、水張りを継続する制御を行い、ステップ３１９に移行する。

【0105】

一方、ステップ３１８では、ＣＰＵ１１１が、補水弁６８及び補水弁９４を開とし、水張りを許可する制御を行う。

【0106】

ステップ３１９では、ＣＰＵ１１１が、水張りを許可したことを通知する制御を行い、本制御プログラム１１５Ａによる一連の処理を終了する。なお、通知先は、上述したように、例えば、リモコン装置５１でもよいし、作業者端末でもよいし、リモコン装置５１及び作業者端末の両方でもよい。通知先は、本体に配置された操作用Ｉ／Ｆ９５でもよい。

【0107】

このように本実施形態によれば、水張りの禁止を強制的に解除する解除スイッチを設け、解除スイッチが押下され、所定の判定条件を満たす場合に、水張りの禁止が解除される。このため、水張りを可能とする機会を増やし、設置運用コストの低減を図ることができる。

【0108】

[第３の実施形態]
本実施形態では、解除スイッチに代えて、水張りの禁止を解除するか否かを判定するタイミングが到来した場合に、水張りの禁止を解除する形態について説明する。

【0109】

なお、本実施形態に係る制御装置は、上記第１の実施形態で説明した制御装置１１０と同様の構成を有しているものとし、その繰り返しの説明は省略し、上述の図４を参照して、相違点のみを説明する。

【0110】

本実施形態に係る水張り制御部１１１Ｂは、水張りの禁止を解除するか否かを判定するタイミング（以下、「解除判定タイミング」という。）が到来し、かつ、所定の判定条件を満たす場合に、水張りの禁止を解除する制御を行う。ここでいう解除判定タイミングとは、一例として、水張りを禁止してから一定時間が経過したタイミング、あるいは、直前の解除判定から一定時間が経過したタイミングである。なお、閾値となる一定時間は、ユーザにより適宜設定される値であり、例えば、１分以上１０分以下の範囲で適切な値が設定される。また、所定の判定条件とは、一例として、上述した第１条件及び第２条件の少なくとも一方である。

【0111】

次に、図７を参照して、第３の実施形態に係る制御装置１１０の作用について説明する。

【0112】

図７は、第３の実施形態に係る制御プログラム１１５Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【0113】

燃料電池システム１０の施工時又はメンテナンス時において、作業担当者による操作に従って、ＣＰＵ１１１により記憶部１１５に記憶されている制御プログラム１１５Ａが起動され、以下に示す各ステップが実行される。

【0114】

図７のステップ３２０では、ＣＰＵ１１１が、水張り開始の指示を受け付けたか否かを判定する。なお、水張り開始の指示は、リモコン装置５１又は作業者端末から入力される。水張り開始の指示を受け付けたと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３２１に移行し、水張り開始の指示を受け付けていないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３２０で待機となる。

【0115】

ステップ３２１では、ＣＰＵ１１１が、燃料電池ユニット１２の周囲の気温が閾値以下であるか否かを判定する。気温が閾値以下であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３２２に移行し、気温が閾値を超えていると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３２８に移行する。

【0116】

ステップ３２２では、ＣＰＵ１１１が、補水弁６８及び補水弁９４を閉とし、水張りを禁止する制御を行う。この禁止の制御により、水張り開始の指示を受け付けても補水弁６８及び補水弁９４は開かず、水張りは禁止される。

【0117】

ステップ３２３では、ＣＰＵ１１１が、水張りを禁止したことを通知する制御を行う。なお、通知先は、上述したように、例えば、リモコン装置５１でもよいし、作業者端末でもよいし、リモコン装置５１及び作業者端末の両方でもよい。通知先は、本体に配置された操作用Ｉ／Ｆ９５でもよい。

【0118】

ステップ３２４では、ＣＰＵ１１１が、解除判定タイミングが到来したか否かを判定する。ここでいう解除判定タイミングとは、一例として、上述したように、水張りを禁止してから一定時間が経過したタイミング、あるいは、直前の解除判定から一定時間が経過したタイミングである。解除判定タイミングが到来したと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３２５に移行し、解除判定タイミングが到来していないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３２１に戻り処理を繰り返す。

【0119】

ステップ３２５では、ＣＰＵ１１１が、補水弁６８及び補水弁９４を開とし、上述した水張り対象部（貯湯タンク４８等）への水張りを開始する。

【0120】

ステップ３２６では、ＣＰＵ１１１が、所定の判定条件を満たすか否かを判定する。ここでいう所定の判定条件とは、一例として、上述した第１条件及び第２条件の少なくとも一方である。所定の判定条件を満たすと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ３２７に移行し、所定の判定条件を満たさないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ３２２に戻り処理を繰り返す。

【0121】

ステップ３２７では、ＣＰＵ１１１が、水張りの禁止を解除する、つまり、水張りを継続する制御を行い、ステップ３２９に移行する。

【0122】

一方、ステップ３２８では、ＣＰＵ１１１が、補水弁６８及び補水弁９４を開とし、水張りを許可する制御を行う。

【0123】

ステップ３２９では、ＣＰＵ１１１が、水張りを許可したことを通知する制御を行い、本制御プログラム１１５Ａによる一連の処理を終了する。なお、通知先は、上述したように、例えば、リモコン装置５１でもよいし、作業者端末でもよいし、リモコン装置５１及び作業者端末の両方でもよい。通知先は、本体に配置された操作用Ｉ／Ｆ９５でもよい。

【0124】

このように本実施形態によれば、水張りの禁止を解除するか否かを判定する解除判定タイミングが到来し、所定の判定条件を満たす場合に、水張りの禁止が解除される。このため、水張りを可能とする機会を増やし、設置運用コストの低減を図ることができる。

【0125】

以上、上記実施形態として、燃料電池システム及び制御装置を例示して説明したが、実施形態は、制御装置が備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。

【0126】

その他、上記実施形態で説明した燃料電池システム及び制御装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。

【0127】

また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

【0128】

また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。

【符号の説明】

【0129】

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池ユニット
１４ 給湯ユニット
２０ 燃料電池モジュール
４４ 熱回収ポンプ
５１ リモコン装置
５２ 水位センサ
６８、９４ 補水弁
９５ 操作用Ｉ／Ｆ
１１０ 制御装置
１１１ ＣＰＵ
１１１Ａ 気温監視部
１１１Ｂ 水張り制御部
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ Ｉ／Ｏ
１１５ 記憶部
１１５Ａ 制御プログラム
１１５Ｂ 温度履歴
１１６ 外部Ｉ／Ｆ
Ｓ 温度センサ
ＳＷ 解除スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】