JP7540969B2 - 燃料電池システム、制御装置、及び制御プログラム - Google Patents

Description

本開示は、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。

従来の燃料電池システムの排水方式には、オーバーフロー方式（ドレン水をオーバーフローさせて排出する方式）と、ポンプ送出方式（排水ポンプでドレン水を排出する方式）とがある。これら２つの排水方式を有することにより、ドレン水の余剰分をオーバーフローさせて外部に排出する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－０８３１７７号公報

上記特許文献１に記載された従来技術では、ポンプ送出方式のバックアップとして、オーバーフロー方式を有しているため、ドレン水の余剰分をオーバーフローさせて外部に排出することができる。

一方、燃料電池システムの設置エリア、設置場所、稼働している季節によって、外部の排水配管が凍結するケースがある。外部の排水配管を介して排水する方式には、ポンプ送出方式以外にも、ポンプを使用せずに自然流下で排水する自然流下方式が採用され得るが、これとは別に、バックアップ用として、排水配管を介さずに直接外部に排水するオーバーフロー方式が採用される場合がある。これによれば、凍結により排水配管が閉塞してもシステムが故障に至ることはない。

しかしながら、システムによっては、排水配管の凍結により排水できないことで異常状態と判断し、システムがエラー（以下、「排水異常エラー」という。）で停止してしまう場合がある。通常、この排水異常エラーは、安全性の観点から、ユーザが解除できない仕組みになっているため、発電機会の損失が発生し、メンテナンス員の出動が必要となる。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであって、低温環境下で排水異常エラーが発生した場合に、発電機会を損失させることなく、メンテナンス員の出動を回避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。

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と、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスから得られる水を、前記燃料電池モジュールに導入する改質水として貯留する改質水貯留部を含む改質水タンクと、前記改質水タンク内に備え付けられ、前記改質水貯留部からオーバーフローした水を貯留し、かつ、貯留した水を外部に排出する第１排水路及び排水配管が接続された排水貯留部と、前記改質水タンク内に備え付けられ、前記排水貯留部からオーバーフローした水を直接外部に排出する第２排水路が接続された余剰分貯留部と、排水異常のエラーを検知し、かつ、外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件を満たす場合に、自システムの停止を無効化し、発電を継続させる制御を行う制御部を含む制御装置と、を備える。

また、第２態様に係る燃料電池システムは、第１態様に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュール、前記改質水タンク、及び前記制御装置を格納する筐体を更に備え、前記第１排水路及び前記第２排水路が、前記筐体内に設けられ、前記排水配管が、前記筐体外に設けられ、前記第１排水路を介して前記排水貯留部に接続されている。

また、第３態様に係る燃料電池システムは、第１態様又は第２態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御装置が、前記排水異常のエラーを検知した場合に、前記燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットの周囲で計測された気温を取得する取得部を更に含み、前記外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件が、前記気温が閾値以下であることを含む。

また、第４態様に係る燃料電池システムは、第１態様又は第２態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御装置が、前記排水異常のエラーを検知した場合に、自システムが設置された地域の天候情報を取得する取得部を更に含み、前記外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件が、前記天候情報から得られた気温が閾値以下であることを含む。

また、第５態様に係る燃料電池システムは、第１態様又は第２態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御装置が、前記排水異常のエラーを検知した場合に、当該エラーを検知した時期を示す暦情報を取得する取得部を更に含み、前記外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件が、前記暦情報から得られた時期が相対的に低温な時期であることを含む。

また、第６態様に係る燃料電池システムは、第１態様～第５態様の何れか１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記第１排水路に設けられた排水ポンプを更に備え、前記排水貯留部の排水方式が、前記排水ポンプを用いて排水を行うポンプ送出方式とされている。

また、第７態様に係る燃料電池システムは、第１態様～第５態様の何れか１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記排水貯留部の排水方式が、自然流下で排水を行う自然流下方式とされている。

更に、上記目的を達成するために、第８態様に係る制御装置は、発電を行う燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスから得られる水を、前記燃料電池モジュールに導入する改質水として貯留する改質水貯留部を含む改質水タンクと、前記改質水タンク内に備え付けられ、前記改質水貯留部からオーバーフローした水を貯留し、かつ、貯留した水を外部に排出する第１排水路及び排水配管が接続された排水貯留部と、前記改質水タンク内に備え付けられ、前記排水貯留部からオーバーフローした水を直接外部に排出する第２排水路が接続された余剰分貯留部と、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、排水異常のエラーを検知し、かつ、外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件を満たす場合に、自システムの停止を無効化し、発電を継続させる制御を行う制御部を含む。

更に、上記目的を達成するために、第９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７態様の何れか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。

以上詳述したように、本開示の技術によれば、低温環境下で排水異常エラーが発生した場合に、発電機会を損失させることなく、メンテナンス員の出動を回避することができる、という効果を有する。

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。 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。 第１の実施形態に係る改質水タンクの排水構成の一例を示す図である。 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。 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。 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。 第２の実施形態に係る改質水タンクの排水構成の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る改質水タンクの排水構成の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本開示の技術を実施するための形態の一例について詳細に説明する。なお、動作、作用、機能が同じ働きを担う構成要素及び処理には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を適宜省略する場合がある。各図面は、本開示の技術を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本開示の技術は、図示例のみに限定されるものではない。また、本実施形態では、本開示の技術と直接的に関連しない構成や周知な構成については、説明を省略する場合がある。

[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。

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、燃料電池ユニット１２と、タンクユニット１３と、給湯器ユニット１４との３ユニットで構成されている。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い、タンクユニット１３は、燃料電池ユニット１２で用いる伝熱媒体を蓄える。給湯器ユニット１４は、バックアップ熱源機の一例であり、燃料電池ユニット１２から供給される湯を目的の温度まで加熱して供給する。なお、燃料電池ユニット１２、タンクユニット１３、及び給湯器ユニット１４は、各々、燃料電池ユニット筐体１２Ａ、タンクユニット筐体１３Ａ、及び給湯器ユニット筐体１４Ａを有し、内部に各機器が配置されている。

燃料電池ユニット筐体１２Ａ、タンクユニット筐体１３Ａ、給湯器ユニット筐体１４Ａはそれぞれ独立しており、各ユニット１２、１３、１４は、それぞれ別体で構成されている。なお、本実施形態では、燃料電池システム１０を３ユニットの構成として示しているが、燃料電池ユニット１２及びタンクユニット１３を一体とし、給湯器ユニット１４との２ユニットの構成としてもよい。

燃料電池システム１０の燃料電池ユニット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、ガス本管に接続されており、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（原料ガス）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。

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を介して改質水タンク３２に接続されており、燃料電池モジュール２０には、改質水タンク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。

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。

燃料電池モジュール２０は、図２に示すように、筐体２０１の内部に、改質触媒２０２、バーナ２０４、及び燃料電池スタック２０６を主要な構成として備えている。

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。

バーナ２０４には、スタック排ガス管２１０が接続されている。このバーナ２０４は、スタック排ガス管２１０を通じて供給されたバーナガス（スタック排ガス）を燃焼し、改質触媒２０２を加熱する。スタック排ガスは、未反応の水素ガスを含む。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２１２を通じて燃料電池スタック２０６の燃料極２０６Ａに供給される。

燃料電池スタック２０６は、一例として、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２１１（図２では１つのみ図示）を有している。各燃料電池セル２１１は、電解質層２０６Ｃと、この電解質層２０６Ｃの表裏面にそれぞれ積層された燃料極２０６Ａと空気極２０６Ｂとを有している。

空気極２０６Ｂ（カソード極）には、空気ブロワ２１２が設けられた酸化ガス管２１４を通じて酸化ガス（筐体の外部の空気）が供給される。この空気極２０６Ｂ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２０６Ｃを通って燃料極２０６Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ ・・・（１）

一方、燃料極２０６Ａでは、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層２０６Ｃ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２０６Ａで生成された電子は、外部回路を通って空気極２０６Ｂに到達する。そして、このようにして電子が燃料極２０６Ａから空気極２０６Ｂに移動することにより、各燃料電池セル２１１において発電される。また、各燃料電池セル２１１は、発電時に上記反応に伴って発熱する。

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

燃料電池スタック２０６に接続されたスタック排ガス管２１０の上流側は、燃料極排ガス管２０８Ａ及び空気極排ガス管２０８Ｂに分岐されており、この燃料極排ガス管２０８Ａ及び空気極排ガス管２０８Ｂは、燃料極２０６Ａ及び空気極２０６Ｂにそれぞれ接続されている。燃料極２０６Ａから排出された燃料極排ガスと、空気極２０６Ｂから排出された空気極排ガスとは、燃料極排ガス管２０８Ａ及び空気極排ガス管２０８Ｂを通じて排出されると共に、スタック排ガス管２１０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２０４にバーナガスとして供給される。なお、このバーナ２０４に、バーナ排ガスを排気熱交換部３６へ排出する排出路３４が接続されている。

排気熱交換部３６には改質水タンク３２が接続されている。燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、排気熱交換部３６で冷却され、燃焼排ガス中の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、水は改質水タンク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１５より排気される。

図３は、第１の実施形態に係る改質水タンク３２の排水構成の一例を示す図である。

図３に示すように、改質水タンク３２には、改質水貯留部３２Ａ、排水貯留部３２Ｂ、及び余剰分貯留部３２Ｃが互いに仕切りを挟んで備え付けられている。改質水貯留部３２Ａは、排気熱交換部３６から排出路３４を介して送られた凝縮水を改質水として貯留する。排水貯留部３２Ｂは、改質水貯留部３２Ａからオーバーフローした水を貯留し、かつ、貯留した水を外部に排出する第１排水路１０２及び排水配管１０４が接続されている。筐体内部の第１排水路１０２及び筐体外部の排水配管１０４は排水継手１０２ａを介して接続される。余剰分貯留部３２Ｃは、排水貯留部３２Ｂからオーバーフローした水を直接外部に排出する第２排水路１０５が接続されている。つまり、第１排水路１０２及び第２排水路１０５は筐体内部に設けられ、排水配管１０４は筐体外部に設けられている。

なお、図１に示すように、排水貯留部３２Ｂには、圧抜き弁３５から排出される水を導く圧抜き水路４１が接続されている。この場合、圧抜き水路４１から排水貯留部３２Ｂへ、圧抜き弁３５を介して排出される水が流入する。なお、圧抜き弁３５及び圧抜き水路４１は必須ではなく、これら圧抜き弁３５及び圧抜き水路４１を設けない構成としてもよい。

排水貯留部３２Ｂには、排水ポンプ１００を有した第１排水路１０２が接続されており、第１排水路１０２は、排水継手１０２ａに接続された排水配管１０４を介して、排水受け１２０に接続されている。排水受け１２０に流入した排水は、下水等に排出することができる。

改質水タンク３２には、排水貯留部３２Ｂの液面を検知する液面センサ３３が設けられている。排水ポンプ１００は、液面センサ３３によって排水貯留部３２Ｂの水が所定量以上になったことを検知した際に作動し、排水貯留部３２Ｂの水を、第１排水路１０２及び排水配管１０４を介して、排水設備としての排水受け１２０へ送出する。

図３を参照して、本実施形態に係る改質水タンク３２の排水構成について具体的に説明する。

燃料電池システム１０は、メインの排水方式としてポンプ送出方式を有し、バックアップ用の排水方式としてオーバーフロー方式を有している。ポンプ送出方式では、排水ポンプ１００によって排水貯留部３２Ｂ内の水（以下、「ドレン水」ともいう。）が第１排水路１０２及び筐体外部の排水配管１０４を介して排水受け１２０へ導かれる。一方、オーバーフロー方式では、排水貯留部３２Ｂからオーバーフローしたドレン水が余剰分貯留部３２Ｃに貯留され、余剰分貯留部３２Ｃに接続された第２排水路１０５から排水配管を介さずに直接筐体外部に排出される。

なお、ポンプ送出方式では、排水貯留部３２Ｂに一定量のドレン水が貯まったことを液面センサ３３で検知して、排水ポンプ１００により排水（間欠的排水）される。このとき、排水配管１０４が凍結閉塞した場合、排水ポンプ１００による排水ができず排水異常エラーが検知される。一方、ドレン水の余剰分は余剰分貯留部３２Ｃからオーバーフローで筐体外部に排出させる。なお、ドレン水の余剰分を貯める余剰分貯留部３２Ｃには筐体外部に延びる第２排水路１０５が設けられているが、第２排水路１０５は筐体内部のため、凍結閉塞することはない。

図１に戻り、燃料電池モジュール２０からの電力は、インバーター回路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。

排気熱交換部３６には、伝熱媒体５０を排気熱交換部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。排気熱交換部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、継手４２ｂ、４２ｄ及び配管４２ｃを介して貯湯タンク４８に接続されている。貯湯タンク４８には、湯５０が貯留されている。

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の下部に貯留した湯５０が優先的に排気熱交換部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に供給された湯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部３６へ送られる。なお、ラジエータ４６は、供給される湯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。

貯湯タンク４８から第一流路４２ａを介して排気熱交換部３６へ送られた湯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、継手４２ｆ、４２ｈ及び配管４２ｇを介して貯湯タンク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、排気熱交換部３６によって湯５０へ伝達され、この熱で加熱された湯５０は、貯湯タンク４８の上部に戻される。

第二流路４２ｅには、圧抜き弁３５が設けられている。圧抜き弁３５は、第二流路４２ｅの圧力が所定の値以上になった場合に開放される弁体で形成されている。圧抜き弁３５により第二流路４２ｅの圧力を逃がし、貯湯タンク４８及び熱回収循環路４２の内圧が所定内圧Ｐ０以上になることが防止されている。

タンクユニット１３の貯湯タンク４８の下部には、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。

流入側分岐点６０ａから燃料電池ユニット１２へ、バイパス路７４が分岐されている。バイパス路７４は、継手７４ａ、継手７４ｂを介して、混合弁７２と接続されている。

貯湯タンク４８に貯留された上水は、貯湯タンク４８の上部に接続された上水供給路４００を介して、燃料電池ユニット１２内の混合弁７２へ送出される。上水供給路４００は、継手４００ａ、配管４００ｂ、継手４００ｃを介して、燃料電池ユニット１２へ通流されている。上水供給路４００を通流する上水は、混合弁７２、出側継手７６、及び出湯管７８を介して、給湯器ユニット１４に供給される。

混合弁７２は、バイパス路７４からの上水と貯湯タンク４８からの上水とを混合する弁であり、例えば流出温が予め定められた設定温度となるように、流入路６０からの上水と貯湯タンク４８からの上水との混合比を調整する。

上水供給路４００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、給湯器ユニット１４の入水継手８０に接続されている。

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（つまり、運転）が制御される。制御装置１１０は、燃料電池ユニット１２、タンクユニット１３、及び給湯器ユニット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。制御装置１１０は、例えば、各ポンプ２８、４４、１００やインバーター回路３８の動作を制御する。

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、排水異常エラーによりシステムが停止した場合に、排水異常エラー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。解除スイッチＳＷは、リモコン装置５１に設けられていてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、凝縮水を改質水として再利用しつつ、余剰分をドレン水として排水しながら発電を行う。

本実施形態の給湯器ユニット１４は、燃料電池ユニット１２から供給された湯を更に加熱して排出可能とした潜熱回収型の熱源機である。潜熱回収型の熱源機は、バーナ１５０の排気中の水蒸気を水（凝縮水）にすることにより、排気中の潜熱を回収して、熱効率を向上させたタイプの熱源機である。図１に示すように、給湯器ユニット１４の内部には、二次熱交換器１５４Ｂ、一次熱交換器１５４Ａ、燃料電池ユニット１２からの湯を二次熱交換器１５４Ｂ、一次熱交換器１５４Ａに供給する入水路１５２、一次熱交換器１５４Ａを加熱する加熱装置としてのバーナ１５０、バーナ１５０に燃料ガスを供給するガス供給管２４、一次熱交換器１５４Ａを通った湯を排出する給湯路１５８、配管１５２の途中に接続されたバイパス路１６０と給湯路１５８とに接続された混合弁１５６、混合弁１５６から湯を排出する給湯管８６、排出される湯の温度を計測する温度センサ（図示省略）、制御装置１６４等が設けられている。制御装置１６４は、混合弁１５６、バーナ１５０へ送る燃料ガスの流量調整弁（図示省略）等の電装部品を制御する。

なお、図１において、燃料電池ユニット１２と給湯器ユニット１４とを接近させて記載されているが、実際の住宅においては、燃料電池ユニット１２と給湯器ユニット１４とはある程度離されている場合がある。

給湯器ユニット１４のガス継手８２には、ガス供給管２４が接続されており、給湯器ユニット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。また、給湯器ユニット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、湯が利用される給湯箇所へ配索されている。給湯器ユニット１４に接続された排水管８８は、排水受け１２０に接続されている。排水管８８には、給湯器ユニット１４において凝縮により発生した水が流入し、当該凝縮水が排水受け１２０へ導かれる。

給湯器ユニット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、二次熱交換器１５４Ｂに接続されている。二次熱交換器１５４Ｂは、一次熱交換器１５４Ａと接続され、一次熱交換器１５４Ａ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。混合弁１５６は、入水路１５２からの湯と一次熱交換器１５４Ａからの湯とを混合する弁であり、入水路１５２からの湯と一次熱交換器１５４Ａからの湯との混合比を調整する。

この給湯器ユニット１４の制御装置１６４は、マイコン等を備え、マイコンは、バーナ１５０での燃焼量を調整して一次熱交換器１５４Ａでの上水の加熱量を制御するとともに、混合弁１５６の開度を制御する。これにより、制御装置１６４のマイコンは、給湯管８６からの給湯温度がリモコン装置５１で設定された設定温度となるように制御する。

図４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。

図４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、通信部１１６と、外部インターフェース（以下、「外部Ｉ／Ｆ」という。）１１７と、を備えている。

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、通信部１１６と、外部Ｉ／Ｆ１１７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。

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。

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。

通信部１１６は、例えば、インターネット、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のネットワークに接続されており、天候情報、暦情報等の各種情報を提供可能なＷｅｂサーバとの間でネットワークを介して通信が可能とされる。

外部Ｉ／Ｆ１１７には、例えば、解除スイッチＳＷ、温度センサＳ、リモコン装置５１、液面センサ３３、及び排水ポンプ１００等が接続されている。これらの解除スイッチＳＷ、温度センサＳ、リモコン装置５１、液面センサ３３、及び排水ポンプ１００等は、外部Ｉ／Ｆ１１７を介して、ＣＰＵ１１１と通信可能に接続される。

ところで、上述したように、システムによっては、排水配管１０４の凍結により排水できないことで異常状態と判断し、システムが排水異常エラーで停止してしまう場合がある。通常、この排水異常エラーは、安全性の観点から、ユーザが解除できない仕組みになっているため、発電機会の損失が発生し、メンテナンス員の出動が必要となる。

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５に示す各部として機能する。

図５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。

図５に示すように、本実施形態に係る制御装置１１０のＣＰＵ１１１は、エラー検知部１１１Ａ、取得部１１１Ｂ、低温判定部１１１Ｃ、及び排水制御部１１１Ｄとして機能する。なお、排水制御部１１１Ｄは、制御部の一例である。

エラー検知部１１１Ａは、排水貯留部３２Ｂからの排水に異常があることを示す排水異常エラーを検知する。排水異常エラーと判定する条件には、例えば、排水貯留部３２Ｂの水位が低下しないこと、排水流量が設定値よりも低下すること、等が挙げられる。

取得部１１１Ｂは、エラー検知部１１１Ａにより排水異常エラーが検知された場合に、温度センサＳにより計測された気温を取得する。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。

また、取得部１１１Ｂは、排水異常エラーが検知された場合に、システムが設置された地域の天候情報を取得するようにしてもよい。天候情報は、例えば、天候情報を提供するＷｅｂサーバからインターネットを介して取得する。天候情報には、地域の天候（晴れ、曇り、雨、雪等）、気温（最高気温／最低気温等）等の情報が含まれる。

また、取得部１１１Ｂは、排水異常エラーが検知された場合に、当該エラーを検知した時期を示す暦情報を取得するようにしてもよい。暦情報は、例えば、制御装置１１０のカレンダ機能を利用して取得してもよいし、暦情報を提供するＷｅｂサーバからインターネットを介して取得してもよい。暦情報には、排水異常エラーを検知した月日等の情報が含まれる。

低温判定部１１１Ｃは、外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件（以下、単に「低温条件」という。）を満たすか否かを判定する。具体的に、低温条件は、例えば、温度センサＳで計測された気温が閾値以下であることを含む。温度センサＳによる計測温度を用いる場合、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。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を記憶しておいてもよい。温度履歴は、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、例えば、温度履歴の各計測温度に、第１排水路１０２及び排水配管１０４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、これら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。

また、天候情報を用いる場合、低温条件は、例えば、天候情報から得られた気温が閾値以下であることを含む。この場合、地域の天候（晴れ、曇り、雨、雪等）、気温（最高気温／最低気温等）等の情報に基づいて、適切な閾値を設定すればよい。

また、暦情報を用いる場合、低温条件は、暦情報から得られた時期が相対的に低温な時期であることを含む。この場合、例えば、排水異常エラーを検知した時期が１２月～３月の間である場合に、低温環境と判定してもよい。

排水制御部１１１Ｄは、排水異常エラーを検知し、かつ、低温条件を満たす場合に、燃料電池システム１０の動作の停止を無効化し、発電を継続させる制御を行う。排水制御部１１１Ｄは、低温環境と判定した場合、ユーザインターフェースの一例であるリモコン装置５１に、排水異常エラーの表示と共に、凍結閉塞の疑いのため、システム停止せずに発電を継続する旨を表示する制御を行う。つまり、仮に排水配管１０４が凍結閉塞していても、オーバーフロー方式でドレン水の余剰分を筐体外部に排出しながら、発電を継続させる。このため、発電機会を損失することなく、メンテナンス員の出動を回避することができる。

次に、図６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。

図６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。

燃料電池システム１０に対して排水制御の指示が実行されると、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。

図６のステップＳ１０１では、ＣＰＵ１１１が、排水異常エラーを検知したか否かを判定する。排水異常エラーを検知したと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップＳ１０２に移行し、排水異常エラーを検知していないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップＳ１０１で待機となる。排水異常エラーと判定する条件には、上述したように、例えば、排水貯留部３２Ｂの水位が低下しないこと、排水流量が設定値よりも低下すること、等が挙げられる。

ステップＳ１０２では、ＣＰＵ１１１が、低温環境であるか否か、つまり、低温条件を満たすか否かを判定する。低温条件を満たすと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップＳ１０３に移行し、低温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Ｓ１０７に移行する。低温条件は、上述したように、例えば、温度センサＳで計測された気温が閾値以下であること、天候情報から得られた気温が閾値以下であること、及び、暦情報から得られた時期が相対的に低温な時期であることの少なくとも１つを含む。

ステップＳ１０３では、ＣＰＵ１１１が、凍結閉塞の疑いのため、燃料電池システム１０の動作の停止を無効化する。つまり、オーバーフロー方式でドレン水の余剰分を筐体外部に排出しながら、発電を継続させる。

ステップＳ１０４では、ＣＰＵ１１１が、例えば、リモコン装置５１に排水異常エラーの表示を行うと共に、凍結閉塞の疑いのため、システム停止せずに発電を継続する旨を表示する制御を行う。

ステップＳ１０５では、ＣＰＵ１１１が、停止スイッチが押下されたか否かを判定する。停止スイッチが押下されないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップＳ１０６に移行し、停止スイッチが押下されたと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップＳ１０７に移行する。なお、停止スイッチは、システムを強制的に停止させるためのスイッチであり、例えば、リモコン装置５１等に設けられている。

ステップＳ１０６では、ＣＰＵ１１１が、終了タイミングが到来したか否かを判定する。終了タイミングが到来しないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップＳ１０１に戻り処理を繰り返し、終了タイミングが到来したと判定した場合（肯定判定の場合）、本制御プログラム１１５Ａによる一連の処理を終了する。

一方、ステップＳ１０７では、ＣＰＵ１１１が、凍結閉塞以外の疑いがあるため、燃料電池システム１０の動作を停止させる。

ステップＳ１０８では、ＣＰＵ１１１が、例えば、リモコン装置５１に排水異常エラーの表示を行うと共に、メンテナンス員に出動要請を行う必要がある旨を表示する制御を行い、本制御プログラム１１５Ａによる一連の処理を終了する。

このように本実施形態によれば、低温環境下で排水異常エラーが発生した場合に、発電機会を損失させることなく、メンテナンス員の出動を回避することができる。

[第２の実施形態]
上記第１の実施形態では、メインの排水構成としてポンプ送出方式を採用した形態について説明した。本実施形態では、メインの排水構成として自然流下方式を採用した形態について説明する。

図７及び図８は、第２の実施形態に係る改質水タンク３２の排水構成の一例を示す図である。なお、本実施形態では、排水ポンプ１００は不要である。

燃料電池システム１０は、メインの排水方式として自然流下方式を有し、バックアップ用の排水方式としてオーバーフロー方式を有している。自然流下方式では、自然流下によって排水貯留部３２Ｂ内のドレン水が第１排水路１０２及び排水配管１０４を介して排水受け１２０へ導かれ、オーバーフロー方式では、排水貯留部３２Ｂからオーバーフローしたドレン水が余剰分貯留部３２Ｃに貯留され、余剰分貯留部３２Ｃに接続された第２排水路１０５から排水配管を介さずに直接筐体外部に排出される。

正常時は、図７に示すように、自然流下方式でドレン水を排水する。この場合、液面センサ３３まで水位は上がらない。一方、異常時（排水配管閉塞時）は、図８に示すように、排水貯留部３２Ｂのドレン水を排水できず、液面センサ３３の位置まで水位が上昇し、排水異常エラーが検知される。

上述の図５を参照して、本実施形態に係る排水制御部１１１Ｄは、上記第１の実施形態と同様に、排水異常エラーを検知し、かつ、低温条件を満たす場合に、燃料電池システム１０の動作の停止を無効化し、発電を継続させる制御を行う。但し、排水異常エラーと判定する条件には、例えば、排水貯留部３２Ｂの水位が上昇すること、等が挙げられる。また、低温条件は、例えば、温度センサＳによる計測温度、天候情報、及び暦情報の少なくとも１つにより定められる。

このように本実施形態によれば、メインの排水方式として自然流下方式を採用した場合であっても、低温環境下で排水異常エラーが発生した場合に、発電機会を損失させることなく、メンテナンス員の出動を回避することができる。

以上、上記各実施形態として、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。

その他、上記各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。

また、上記各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。

また、上記各実施形態では、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。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池ユニット
１３ タンクユニット
１４ 給湯器ユニット
２０ 燃料電池モジュール
３２ 改質水タンク
３２Ａ 改質水貯留部
３２Ｂ 排水貯留部
３２Ｃ 余剰分貯留部
３３ 液面センサ
３４ 排出路
５１ リモコン装置
１００ 排水ポンプ
１０２ 第１排水路
１０４ 排水配管
１０５ 第２排水路
１１０ 制御装置
１１１ ＣＰＵ
１１１Ａ エラー検知部
１１１Ｂ 取得部
１１１Ｃ 低温判定部
１１１Ｄ 排水制御部
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ Ｉ／Ｏ
１１５ 記憶部
１１５Ａ 制御プログラム
１１６ 通信部
１１７ 外部Ｉ／Ｆ
１２０ 排水受け

Claims (9)

1. 発電を行う燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスから得られる水を、前記燃料電池モジュールに導入する改質水として貯留する改質水貯留部を含む改質水タンクと、
   前記改質水タンク内に備え付けられ、前記改質水貯留部からオーバーフローした水を貯留し、かつ、貯留した水を外部に排出する第１排水路及び排水配管が接続された排水貯留部と、
   前記改質水タンク内に備え付けられ、前記排水貯留部からオーバーフローした水を直接外部に排出する第２排水路が接続された余剰分貯留部と、
   排水異常のエラーを検知し、かつ、外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件を満たす場合に、自システムの停止を無効化し、発電を継続させ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。
2. 前記燃料電池モジュール、前記改質水タンク、及び前記制御装置を格納する筐体を更に備え、
   前記第１排水路及び前記第２排水路は、前記筐体内に設けられ、
   前記排水配管は、前記筐体外に設けられ、前記第１排水路を介して前記排水貯留部に接続されている
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記排水異常のエラーを検知した場合に、前記燃料電池モジュールが設けられた燃料電池ユニットの周囲で計測された気温を取得する取得部を更に含み、
   前記外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件は、前記気温が閾値以下であることを含む
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記排水異常のエラーを検知した場合に、自システムが設置された地域の天候情報を取得する取得部を更に含み、
   前記外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件は、前記天候情報から得られた気温が閾値以下であることを含む
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、前記排水異常のエラーを検知した場合に、当該エラーを検知した時期を示す暦情報を取得する取得部を更に含み、
   前記外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件は、前記暦情報から得られた時期が相対的に低温な時期であることを含む
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１排水路に設けられた排水ポンプを更に備え、
   前記排水貯留部の排水方式は、前記排水ポンプを用いて排水を行うポンプ送出方式である
   請求項１～請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記排水貯留部の排水方式は、自然流下で排水を行う自然流下方式である
   請求項１～請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 発電を行う燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスから得られる水を、前記燃料電池モジュールに導入する改質水として貯留する改質水貯留部を含む改質水タンクと、
   前記改質水タンク内に備え付けられ、前記改質水貯留部からオーバーフローした水を貯留し、かつ、貯留した水を外部に排出する第１排水路及び排水配管が接続された排水貯留部と、
   前記改質水タンク内に備え付けられ、前記排水貯留部からオーバーフローした水を直接外部に排出する第２排水路が接続された余剰分貯留部と、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、
   排水異常のエラーを検知し、かつ、外部環境の温度が相対的に低温であることを示す条件を満たす場合に、自システムの停止を無効化し、発電を継続させる制御を行う制御部を含む
   制御装置。
9. コンピュータを、請求項１～請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システムを制御するため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。