JP6143354B2 - 燃料電池ユニット、その制御プログラム、その制御方法および燃料電池コジェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池ユニット、燃料電池コジェネレーションシステムなどの燃料電池およびその制御技術に関する。

燃料電池コジェネレーションシステム〔Fuel cell Co-generation system（以下、単に「ＦＣシステム」と称する。）〕では、燃料電池ユニットを備え、この燃料電池ユニットの熱を回収し、給湯や暖房などに利用する。燃料電池ユニットは、燃料電池スタックや燃料改質装置の他に補機類を備える。補機類にはポンプ、ブロワ、センサなどが含まれる。この燃料電池ユニットを含むＦＣシステムでは燃料電池ユニットの運転状態を監視し、適正な運転が維持される。

この燃料電池ユニットの制御に関し、燃料電池スタックで生じた改質水を燃料処理部に戻して処理する際にポンプが使用され、改質水の安定供給を図ることが知られている（たとえば、特許文献１、特許文献２）。

特開２００８−２７３８２２号公報 特開２０１３−７５８２１号公報

ところで、燃料電池ユニットを含むＦＣシステムでは、燃料電池スタックの発電反応により生じた水をタンクに溜め、この水を燃料改質装置で利用している。タンクから燃料改質装置への改質水の搬送に改質水ポンプが用いられる。

燃料改質装置は、燃料（たとえば、都市ガス）と改質水とを反応させ、水素リッチの改質ガスを生成する。改質ガスの生成には改質水の供給が不可欠であり、その供給量が改質ガスの生成に大きく影響する。つまり、改質水ポンプの動作異常が改質ガスの生成に影響を与え、システム上、斯かる動作異常を回避することが不可欠である。

この動作異常には、改質水の流量停止、流量過少または流量過多などがある。この改質水の異常は、圧力異常、温度異常、燃料電池スタックの電圧異常など、ＦＣシステムの異常原因となり、異常停止に至る。

斯かる異常停止では、エラー通報、ユーザによるメンテナンス依頼の要請などを受け、ポンプ交換などの手続きを経て正常運転を再開させるなどの処理が行われる。

この異常停止によるシステムの停止原因には軽微なものから重度のものまで様々なものが含まれている。重度の場合にはポンプ交換などが必要である。しかし、軽微な場合では、メンテナンス担当者が点検した際には既に異常が解消したか、異常が認められないといった場合もあるし、異常が認められたとしても、適切な制御動作を行えば、改質水ポンプ異常が解消するといった場合もある。

斯かる改質水ポンプの動作異常の監視には、改質水ポンプが設置されている改質水の搬送経路に流量計や圧力計などの計測器を設置すればよい。しかし、計測器を用いる場合には、設置コストの上昇や計測器の故障を改質水ポンプ異常と判断してしまうという課題がある。

そこで、本発明は斯かる課題に鑑み、改質水の流量や圧力を監視する計測器を要することなく、動作異常時、その改質水ポンプの動作異常を自己解消し、動作の正常化を図ることにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池ユニットは、改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットであって、少なくとも温度情報、燃焼情報、電圧情報、燃料または空気の搬送情報のいずれかを取得する情報取得手段と、前記情報取得手段が取得した情報から異常を検知した経路が燃料経路、選択酸化空気経路またはガス経路のいずれであるかを判別し、異常を検知した経路が前記燃料経路または前記選択酸化空気経路であれば前記改質水の流量異常に関係する特定異常と判断し、異常を検知した経路が前記ガス経路であれば、圧力異常に該当する場合、または圧力異常が無くても温度異常、失火異常、電圧異常のいずれかに該当する場合に前記特定異常と判断し、正常時と異なる駆動パターンで前記改質水ポンプを駆動する異常解消制御を実行する制御手段とを備える。

上記燃料電池ユニットにおいて、前記駆動パターンは、前記改質水ポンプの断続動作、ポンプ出力の増減動作、前記改質水の流量方向の反転切替え動作の何れかまたは２以上を含んでもよい。

上記燃料電池ユニットにおいて、前記制御手段は、前記異常解消制御の回数をカウントし、そのカウント数が所定回数に到達した場合に異常告知情報を出力してもよい。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池ユニットの制御プログラムは、改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットに搭載されたコンピュータに実行させる制御プログラムであって、少なくとも温度情報、燃焼情報、電圧情報、燃料または空気の搬送情報のいずれかを取得し、取得した情報から異常を検知した経路が燃料経路、選択酸化空気経路またはガス経路のいずれであるかを判別し、異常を検知した経路が前記燃料経路または前記選択酸化空気経路であれば前記改質水の流量異常に関係する特定異常と判断し、異常を検知した経路が前記ガス経路であれば、圧力異常に該当する場合、または圧力異常が無くても温度異常、失火異常、電圧異常のいずれかに該当する場合に前記特定異常と判断し、前記特定異常の際、正常時と異なる駆動パターンで前記改質水ポンプを駆動する異常解消制御を行う処理を前記コンピュータに実行させる。

上記燃料電池ユニットの制御プログラムにおいて、前記異常解消制御の回数をカウントし、そのカウント数が所定回数に到達した場合に異常情報を生成してもよい。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池ユニットの制御方法は、改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットの制御方法であって、少なくとも温度情報、燃焼情報、電圧情報、燃料または空気の搬送情報のいずれかを取得し、取得した情報から異常を検知した経路が燃料経路、選択酸化空気経路またはガス経路のいずれであるかを判別し、異常を検知した経路が前記燃料経路または前記選択酸化空気経路であれば前記改質水の流量異常に関係する特定異常と判断し、異常を検知した経路が前記ガス経路であれば、圧力異常に該当する場合、または圧力異常が無くても温度異常、失火異常、電圧異常のいずれかに該当する場合に前記特定異常と判断し、前記特定異常の際、正常時と異なる駆動パターンで前記改質水ポンプを駆動する異常解消制御を行う。

上記燃料電池ユニットの制御方法において、前記異常解消制御の回数をカウントし、そのカウント数が所定回数に到達した場合に異常情報を生成してもよい。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットを含む燃料電池コジェネレーションシステムであって、少なくとも温度情報、燃焼情報、電圧情報、燃料または空気の搬送情報のいずれかを取得する情報取得手段と、前記情報取得手段が取得した情報から異常を検知した経路が燃料経路、選択酸化空気経路またはガス経路のいずれであるかを判別し、異常を検知した経路が前記燃料経路または前記選択酸化空気経路であれば前記改質水の流量異常に関係する特定異常と判断し、異常を検知した経路が前記ガス経路であれば、圧力異常に該当する場合、または圧力異常が無くても温度異常、失火異常、電圧異常のいずれかに該当する場合に前記特定異常と判断し、正常時と異なる駆動パターンで前記改質水ポンプを駆動する異常解消制御を実行する制御手段とを備える。

上記燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記駆動パターンは、前記改質水ポンプの断続動作、ポンプ出力の増減動作、前記改質水の流量方向の反転切替え動作の何れかまたは２以上を含んでもよい。

上記燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記制御手段は、前記異常解消制御の回数をカウントし、そのカウント数が所定回数に到達した場合に異常情報を出力してもよい。

本発明によれば、次のような効果が得られる。

(1) 動作異常から改質水の流量異常に関係する特定異常を判別して異常解消制御を実行し、その改質水ポンプの動作異常を自己解消できるので、エラー発報の回数を低減でき、燃料電池ユニットや該燃料電池ユニットを含むシステムの信頼性を向上させることができる。

(2) 異常の自己解消が可能になるので、メンテナンスの作業回数を低減でき、メンテナンス作業のコストを低減できる。

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

第１の実施の形態に係るＦＣシステムを示す図である。 燃料電池ユニットの一例を示す図である。 制御部およびそのハードウェアの一例を示す図である。 制御部の機能を示すブロック図である。 改質水異常に関係する特定情報を格納した特定情報判別データテーブルを示す図である。 異常履歴記録データテーブルの一例を示す図である。 制御状態の告知の一例を示す図である。 ＦＣシステムの制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 特定異常判別処理の処理手順を示すフローチャートである。 異常解消制御の処理手順を示すフローチャートである。 改質水ポンプの駆動パターンの処理手順の一例を示すフローチャートである。 改質水ポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 第２の実施の形態に係る改質水ポンプの駆動パターンの処理手順の一例を示すフローチャートである。 改質水ポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 他の改質水ポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 他の改質水ポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 他の改質水ポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 他の改質水ポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。 他の改質水ポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御を示すタイミングチャートである。

〔第１の実施の形態〕

＜システム構成＞

図１は、第１の実施の形態に係るＦＣシステム（燃料電池コジェネレーションシステム）の一例を示している。

このＦＣシステム２には燃料電池ユニット４と、一例として貯湯ユニット６が含まれている。燃料電池ユニット４には燃料電池スタック８、燃料処理装置１０、水タンク１２、ドレイナ１４−１、１４−２および熱交換器１６が含まれる。貯湯ユニット６には貯湯タンク２０が備えられる。これら燃料電池ユニット４および貯湯ユニット６の機能部を制御する制御部１８が備えられる。

燃料電池スタック８にはたとえば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell ）が備えられる。この燃料電池スタック８には燃料処理装置１０から水素リッチな改質ガスＧ１が供給され、改質ガスＧ１の水素Ｈ₂が水素イオンＨ＋と電子ｅ−に分離される。水素イオンＨ＋は電解質を通過することにより空気極側の酸素と結びついて水（Ｈ₂ Ｏ）が生成される。電子ｅ−は導線を通して空気極側に移動し、発電エネルギとして取り出される。燃料電池ユニット４の生成水は水経路２２−１により水タンク１２に導かれ、溜められる。

燃料処理装置１０は燃料改質手段の一例である。この燃料処理装置１０には燃料処理部２４および燃焼部２６が備えられる。燃料処理部２４では、都市ガスなどの燃料Ｆ、選択酸化空気Ａｉおよび水タンク１２から水、この水を改質水Ｗ１として供給され、燃料Ｆから水素リッチな改質ガスＧ１を生成する。燃料処理部２４には燃料Ｆが燃料経路２８により導かれ、選択酸化空気Ａｉが選択酸化空気経路３０により導かれる。改質水Ｗ１は改質水として水経路２２−２により燃焼処理部２４に導かれる。燃焼部２６は、燃料電池スタック８から供給される水素リッチな改質オフガスＧ２を燃焼し、燃料処理装置１０の改質反応に熱量を供給する。つまり、燃焼は燃料処理装置１０の改質反応の熱量供給のためである。燃料処理装置１０が生成した改質ガスＧ１はガス経路３２−１から燃料電池スタック８に供給される。

ドレイナ１４−１は、ドレン排水処理部の一例であり、改質オフガスＧ２からドレンＤを凝縮させ、このドレンＤを排水する。この実施の形態では、燃料電池スタック８と燃焼部２６との間に設置されたガス経路３２−２にドレイナ１４−１が設置され、改質オフガスＧ２が燃料電池スタック８からドレイナ１４−１を通して燃焼部２６に流れる。この改質オフガスＧ２には多量のドレンＤが含まれている。このドレンＤは燃料処理部２４での改質反応のために過剰に供給される改質水Ｗ１のうち未反応分として残った水や、発電反応で生成する水（Ｈ₂ Ｏ）である。

燃焼部２６には排気経路３４が備えられ、この排気経路３４にはドレイナ１４−２が備えられている。このドレイナ１４−２では燃焼部２６で生じた燃焼排ガスＧ３から得られる凝縮水を分離し、この凝縮水を除いた燃焼排ガスＧ３が外気に放出され、凝縮水が水経路２２−３を通して水タンク１２に導かれる。

排気経路３４には熱交換器１６が設置され、燃焼排ガスＧ３の熱が貯湯ユニット６側の水Ｗ２に熱交換される。これにより、燃焼排ガスＧ３の熱が水Ｗ２に回収されて利用される。高温水として貯湯タンク２０に貯湯される。

制御部１８はＦＣシステム２の制御手段の一例である。この制御部１８はたとえば、コンピュータで構成される。この制御部１８は、燃料電池ユニット４の機能部に設置された各種センサからの情報を受け、制御出力を燃料電池スタック８、燃料処理部２４、燃焼部２６などの機能部に付与する。この制御には、正常時と異なる駆動パターンを含む異常解消制御が含まれる。

図２は、燃料電池ユニット４の一例を示している。図１と同一部分には同一符号を付してある。

燃料電池スタック８にはスタック電圧計３６が備えられる。スタック電圧計３６は、電圧検出手段の一例であり、燃料電池スタック８の発電電圧を検出する。燃料電池スタック８に改質ガスＧ１を供給するガス経路３２−１にはスタック入口圧力計４２−１が備えられる。スタック入口圧力計４２−１は、スタック入口側圧力の監視手段の一例であり、燃料電池スタック８の入口圧力を検出する。これら電圧や圧力の検出情報が制御部１８に提供される。

水経路２２−２には改質水ポンプ３８が備えられる。この改質水ポンプ３８は改質水搬送手段の一例である。この改質水ポンプ３８にはたとえば、プランジャーポンプが用いられる。水タンク１２に溜められた改質水Ｗ１は、改質水ポンプ３８によって水経路２２−２で搬送され、燃料処理部２４に導かれる。

燃料処理部２４には、圧力計４２−２および温度センサ４４が備えられる。圧力計４２−２は、燃料処理部２４内の処理圧力の監視手段の一例であり、処理圧力を検出する。温度センサ４４は、温度検出手段の一例であり、温度を検出する。この温度センサ４４にはたとえば、サーミスタや熱電対が用いられる。これら圧力や温度の検出情報が制御部１８に提供される。

燃焼部２６には熱電対４６およびフレームロッド４８が備えられる。熱電対４６は、温度検出手段の一例である。フレームロッド４８は燃焼監視手段の一例である。熱電対４６が異常温度を検出した場合には、システム停止を行う。

燃料経路２８には燃料ブロア５０、燃料流量計４０−１および燃料経路圧力計４２−３が備えられている。燃料ブロア５０は燃料処理部２４に対する燃料Ｆの搬送手段の一例である。燃料流量計４０−１は、燃料Ｆの流量監視手段の一例であり、燃料Ｆの流量を検出する。燃料経路圧力計４２−３は、燃料経路２８の経路圧力監視手段の一例であり、経路圧力を検出する。これら流量や圧力の検出情報が制御部１８に提供される。

選択酸化空気経路３０には選択酸化空気ブロア５２、選択酸化空気流量計４０−２および選択酸化空気経路圧力計４２−４が備えられている。選択酸化空気ブロア５２は燃料処理部２４に対する選択酸化空気Ａｉの搬送手段の一例である。選択酸化空気流量計４０−２は、選択酸化空気Ａｉの流量監視手段の一例であり、選択酸化空気Ａｉの流量を検出する。空気経路圧力計４２−４は、選択酸化空気経路３０の経路圧力監視手段の一例であり、経路圧力を検出する。これら流量や圧力の検出情報が同様に制御部１８に提供される。

＜制御部１８＞

図３のＡは、制御部１８の一例を示している。この制御部１８には表示部５４およびエラー発報部５６が接続されている。表示部５４は視認情報を提示するたとえば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）表示器を用いればよい。エラー発報部５６にはインジケータなどが用いられる。

ポンプ駆動部５８は、制御部１８の制御出力を受け、改質水ポンプ３８を駆動する。この改質水ポンプ３８の駆動パターンには正常時の駆動パターンと、改質水Ｗ１に流量異常が生じた際に、正常時と異なる駆動パターンとが含まれる。正常時と異なる駆動パターンは、異常解消制御により実行される。

図３のＢは、制御部１８のハードウェアの一例を示している。この制御部１８にはたとえば、コンピュータが用いられ、プロセッサ６０、ＲＯＭ（Read-Only Memory）６２、ＮＶＭ（Non Volatile Memory ）６４、ＲＡＭ（Random-Access Memory）６６、入力部６８、出力部７０および表示制御部７２、ポンプ制御部７４が含まれる。

プロセッサ６０は、ＲＯＭ６２に格納されているＯＳ（Operating System）、ファームウェアなどの各種のプログラムを実行し、各種の情報処理を行う。このプロセッサ６０は改質水Ｗ１の流量異常に関係する特定異常を判断するための情報取得手段の一例である。このプロセッサ６０の情報処理には既述の異常解消制御の処理が含まれる。ＲＯＭ６２は、ＯＳ、ファームウェアなどの各種のプログラムを格納している。ＮＶＭ６４はデータ記憶手段の一例でありたとえば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ）を用いる。このＮＶＭ６４には異常履歴記録データテーブル２００（図６）などのデータベースが構築される。ＲＡＭ６６は、情報処理のワークエリアに用いられる。入力部６８は、検出情報などの取込みに用いられる。出力部７０は制御情報、各種機能部の駆動出力、エラー発報情報を出力する。

表示制御部７２は、プロセッサ６０の制御により、表示部５４の表示制御を行う。表示制御の制御出力は表示部５４に付与される。

ポンプ制御部７４は、プロセッサ６０の制御により、改質水ポンプ３８の駆動制御を行う。この駆動制御には正常時の駆動パターン制御と、改質水Ｗ１に流量異常が生じた際に、正常時と異なる駆動パターン制御とが含まれる。

＜制御部１８の機能＞

図４は、制御部１８の機能７６を示している。この機能７６には、情報取得機能７８、システム停止機能８０、特定異常判別機能８２、異常解消制御機能８４、異常解消制御カウント機能８６、状態告知機能８８および異常履歴記録機能９０が含まれる。

情報取得機能７８は、スタック電圧計３６などの各種センサからの検出出力を受け、ＦＣシステム２の動作情報を取得する。

システム停止機能８０は、情報取得機能７８の情報取得で得られた動作情報から異常情報を判別する。異常情報があれば、ＦＣシステム２を停止する。

特定異常判別機能８２は、異常情報から流量異常に関係する特定異常を判別する。

異常解消制御機能８４は、特定異常判別機能８２の流量異常判定により、異常解消制御を実行する。この異常解消制御には、既述の正常時と異なる駆動パターン制御が含まれる。この駆動パターン制御では、正常時と異なる駆動パターン制御によりポンプ駆動部５８を駆動し、これに基づき、改質水ポンプ３８をたとえば断続的に動作または搬送方向を異ならせるなどの動作を行う。

異常解消制御カウント機能８６は、異常解消制御機能８４により実行される異常解消制御の回数や時間を計数する。異常解消制御の回数はたとえば、所定時間の異常解消制御を単位としてその回数を計数し、または異常解消制御に用いる駆動パターンパルスの回数を計数する。

状態告知機能８８は、ＦＣシステム２のシステム異常を含む動作状態を告知する。この場合、異常解消制御機能８４を実行している場合には、異常解消制御の実行中であることを告知する。この異常解消制御により、その異常解消制御の契機となった異常を解消した場合には、その異常解消を告知し、正常に自己解消した旨を告知する。

異常履歴記録機能９０は、ＮＶＭ６４に格納されている異常履歴記録データテーブル２００（図６）に異常履歴を記録する。

＜特定情報判別データテーブル＞

図５は、改質水異常に関係する特定情報を格納した特定情報判別データテーブル１００を示す。この特定情報判別データテーブル１００はひとつの記録媒体であるＮＶＭ６４に格納されるデータベースの一例である。

この特定情報判別データテーブル１００には燃料経路情報１０２、選択酸化空気経路情報１０４、改質ガス経路情報１０６および異常状態情報１０８が格納される。これら燃料経路情報１０２、選択酸化空気経路情報１０４、改質ガス経路情報１０６および異常状態情報１０８は動作情報の一例である。

燃料経路情報１０２には、燃料経路２８に設置されている燃料ブロア５０の出力、燃料流量計４０−１の検出流量、燃料経路圧力計４２−３の検出経路圧力が含まれる。

選択酸化空気経路情報１０４には、選択酸化空気経路３０に設置されている選択酸化空気ブロア５２の出力、選択酸化空気流量計４０−２の検出流量、選択酸化空気経路圧力計４２−４の検出経路圧力が含まれる。

改質ガス経路情報１０６には、圧力計４２−２の検出圧力、温度センサ４４の検出温度、スタック入口圧力計４２−１の検出圧力、スタック電圧計３６の検出電圧、熱電対４６の検出温度、フレームロッド４８の検出出力が含まれる。

また、異常状態情報１０８には想定される改質水ポンプ３８の異常状態を表す情報が格納されている。

これら燃料経路情報１０２、選択酸化空気経路情報１０４、改質ガス経路情報１０６および異常状態情報１０８の動作情報は情報番号１１０、経路・機器１１２、状態１１４および備考１１６に仕分けされている。

情報番号１１０は、燃料経路情報１０２、選択酸化空気経路情報１０４および改質ガス経路情報１０６に区分されるとともに、区分ごとに関係付けられた番号が付与されている。この実施の形態では、燃料経路情報１０２には「２１」〜「２３」が付与され、選択酸化空気経路情報１０４には「３１」〜「３３」が付与され、また、改質ガス経路情報１０６には「４１」〜「４６」が付与されている。これら番号によって経路および機器を特定することができる。経路・機器１１２には既述の各機器名称などの機器を特定する情報が格納されている。

そして、状態１１４には各機器の状態、想定される改質水ポンプ異常状態について、出力、流量、圧力、温度、電圧、失火の状態が格納されている。「出力」については、「出力低異常」または「出力高異常」、「流量」については、「流量低異常」または「流量高異常」、「圧力」については、「圧力低異常」または「圧力高異常」、「温度」については、「温度異常」、「温度低異常」または「温度高異常」、「電圧」については、「電圧低異常」または「電圧高異常」、「失火」については、「失火異常」が格納される。そして、想定される改質水ポンプ異常状態については、「流量過少」または「流量過大」が格納されている。

このように、情報番号１１０は、燃料経路情報１０２、選択酸化空気経路情報１０４および改質ガス経路情報１０６を参照し、経験値や実測値から改質水ポンプ３８の異常つまり、改質水流量異常に起因した可能性のある特定異常が判定される。したがって、想定される改質水ポンプ異常状態の可能性として「流量過少」または「流量過大」が判断される。この場合、特定異常は、改質水ポンプに起因した可能性のある異常であり、必ずしも改質水ポンプ異常が発生しているわけではない。

＜異常履歴記録データテーブル２００＞

図６は、異常履歴記録データテーブル２００の一例を示している。この異常履歴記録データテーブル２００はひとつの記録媒体であるＮＶＭ６４に格納されるデータベースの一例である。

この異常履歴記録データテーブル２００には一例として、情報番号２０２、日／時２０４、異常検知２０６、制御形態２０８、回数２１０、エラー発報２１２および現状情報２１４が格納されている。

情報番号２０２は、格納情報の識別番号である。日／時２０４は、異常が生じた暦日および時刻である。この実施の形態では、Ｎｏ．１のデータでは一例として、２０１３．０９．１０ ０：００が格納され、Ｎｏ．２のデータでは一例として、２０１３．０９．２５ ９：００が格納されている。異常検知２０６は、検知された異常の種別を示している。制御形態２０８は、異常に対応する制御形態を示している。この制御形態にはたとえば、改質水ポンプ３８の駆動パターンが含まれる。回数２１０はたとえば、異常解消制御の回数である。エラー発報２１２は、異常告知の有無を示している。そして、現状情報２１４は、異常検知の結果、現状の制御状態を表している。

この異常履歴記録データテーブル２００は、表示画面１２０（図７）に視認情報として表示し、告知可能な情報である。

＜制御状態の告知＞

図７は、異常告知を含む制御状態の告知の一例を示している。この制御状態の情報表示は、表示部５４の表示画面１２０に表示される。

図７のＡは、特定異常時の画面表示を示している。表示画面１２０には、特定異常の生起と、異常解消制御の実行とを表すメッセージ１２２が表示されている。このメッセージ１２２では一例として、「特定異常が生じたので、異常解消制御を実行します。」が表示されている。このメッセージ１２２によれば、ユーザが特定異常を契機に異常解消制御に移行することを即座に知ることができる。この特定異常の表示の際、改質水流量異常が発生している場合もあり、他の機器の異常が発生している場合もある。したがって、これらの異常を含む特定異常として表示すればよく、これらを識別可能に表示形態を異ならせてもよい。

図７のＢは、異常解消制御の実行中の画面表示を示している。表示画面１２０には、異常解消制御の実行中であるメッセージ１２４が表示されている。このメッセージ１２４では一例として、「異常解消制御の実行中」が表示されている。このメッセージ１２４によれば、ユーザが異常解消制御中であることを即座に知ることができる。

図７のＣは、異常解消制御の制御結果の画面表示を示している。表示画面１２０には、異常解消制御の実行およびその結果を表すメッセージ１２６が表示されている。このメッセージ１２６では一例として、「異常解消制御の結果、正常復帰しました。」が表示されている。このメッセージ１２６によれば、ユーザが異常解消制御の結果、ＦＣシステム２が正常復帰したことを即座に知ることができる。

図７のＤは、他の異常解消制御の制御結果の画面表示を示している。表示画面１２０には、異常解消制御の実行およびその結果を表すメッセージ１２８が表示されている。このメッセージ１２８では一例として、「異常解消制御によっても、動作異常が解消しません。システムを停止します。」が表示されている。このメッセージ１２８によれば、ユーザが異常解消制御の結果、ＦＣシステム２が正常化しないこと、システム停止に移行することを即座に知ることができる。

＜ＦＣシステム２の制御＞

図８は、ＦＣシステムの制御の処理手順の一例を示している。この処理手順は、本発明の制御プログラムまたは制御方法の一例である。

この処理手順では、通常運転が行われ（Ｓ１１）、この通常運転において、ＦＣシステム２の燃料電池ユニット４の動作状態を表す情報を取得する（Ｓ１２）。この情報は、既述の各種検出手段から制御部１８の情報取得機能７８によって実行される。この情報からＦＣシステム２の異常検知が行われる（Ｓ１３）。異常がなければ（Ｓ１３のＮＯ）、通常運転を継続し、異常検知が継続して実行される。

ＦＣシステム２に異常があれば（Ｓ１３のＹＥＳ）、ＦＣシステム２の停止か否かを判定する（Ｓ１４）。ＦＣシステム２を停止しない場合には（Ｓ１４のＮＯ）、通常運転を継続する。

ＦＣシステム２の停止であれば（Ｓ１４のＹＥＳ）、検知した異常が特定異常か否かを判定する（Ｓ１５）。特定異常であれば（Ｓ１５のＹＥＳ）、改質水ポンプ３８の異常解消制御を実行する（Ｓ１６）。この異常解消制御では、正常時と異なる駆動パターンで改質水ポンプ３８を駆動する。

この異常解消制御を実行すると、その制御のたとえば、回数をカウントする（Ｓ１７）。このカウント数が所定数以上か否かを判定する（Ｓ１８）。所定数未満であれば（Ｓ１８のＮＯ）、Ｓ１１に戻り、Ｓ１１〜Ｓ１８の処理を行う。この場合、所定数未満であれば、Ｓ１１に戻る制御は、所定数未満の異常解消制御、つまり、１回の異常解消制御であっても、改質水ポンプ３８の動作異常が解消し、正常運転が可能になる場合を想定している。

カウント数が所定数以上に到達すれば（Ｓ１８のＹＥＳ）、エラー発報（Ｓ１９）を行う。つまり、異常解消制御を繰り返しても異常が解消されず、所定数以上の異常解消制御の継続が無意味と判断し、エラー発報を行う。このエラー発報は既述の制御状態の告知（図７）によって行われる。このエラー発報により、ユーザは異常を認識することができる。

Ｓ１５において、改質水の流量異常でなければ（Ｓ１５のＮＯ）、異常解消制御を行うことなく、つまり、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８をジャンプし、エラー発報を行う。異常解消制御では解消し得ない異常の場合に無駄な異常解消制御を回避することができ、処理の迅速化を図ることができる。

＜特定異常判別処理＞

図９は、特定異常判別処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理手順は本発明の燃料電池ユニットの制御プログラムまたはその制御方法の一例である。

この処理手順は、既述の処理手順のサブルーチンである。この処理手順では、異常は燃料経路２８、選択酸化空気経路３０またはガス経路３２−２のいずれかであるか否かを判断する（Ｓ２１）。異常がこれら燃料経路２８、選択酸化空気経路３０またはガス経路３２−２のいずれでもなければ（Ｓ２１のＮＯ）、通常異常（Ｓ２２）と判断する。

異常を検知した経路が燃料経路２８、選択酸化空気経路３０またはガス経路３２−２のいずれかであれば（Ｓ２１のＹＥＳ）、異常検知した経路は燃料経路２８または選択酸化空気経路３０であるか、またはガス経路３２−２であるかを判断する（Ｓ２３）。

異常を検知した経路がガス経路３２−２であれば、圧力異常かを判断し（Ｓ２４）、圧力異常でなければ（Ｓ２４のＮＯ）、温度異常か、失火異常かまたは電圧異常かを判断する（Ｓ２５）。

異常を検知した経路の異常が温度異常、失火異常または電圧異常のいずれでもなければ（Ｓ２５のＮＯ）、通常異常と判断する（Ｓ２２）。これに対し、温度異常、失火異常または電圧異常のいずれかであれば（Ｓ２５のＹＥＳ）、改質水の流量異常に関係する特定異常と判断する（Ｓ２６）。

Ｓ２３において、異常を検知した経路が燃料経路２８または選択酸化空気経路３０であれば、燃料ブロワ５０または選択酸化空気ブロワ５２が出力低異常かを判断する（Ｓ２７）。Ｓ２４において、ガス経路３０−２が圧力異常であれば（Ｓ２４のＹＥＳ）、Ｓ２７の処理を行う。ブロワ出力が低異常であれば（Ｓ２７のＹＥＳ）、改質水Ｗ１の流量過少と判断する（Ｓ２９）。これに対し、ブロワ出力が低異常でなければ（Ｓ２７のＮＯ）、改質水Ｗ１の流量過大と判断する（Ｓ２９）。いずれの判断であっても最終的には特定異常（Ｓ２６）と判断する。

この実施の形態では、異常を検知した経路が燃料経路２８または選択酸化空気経路３０である場合、ブロワ出力のみを判断しているが、燃料経路２８の燃料流量、燃料経路圧力を判断情報、または選択酸化空気経路３０の選択酸化空気流量、選択酸化空気経路圧力を判断情報のいずれか一方を用いてもよいし、またはこれら双方を用いてもよい。さらに、ブロワ出力と組み合わせて特定異常を判断してもよい。

＜改質水ポンプ３８の異常解消制御＞

図１０は、改質水ポンプ３８の異常解消制御の処理手順を示している。この処理手順は、図８に示す処理手順のサブルーチンである。

この処理手順では、改質水ポンプ３８のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う（Ｓ３１）。このＯＮ／ＯＦＦ制御では、正常時の駆動パターンと異なった駆動パターンを実行する。

この改質水ポンプ３８のＯＮ／ＯＦＦ制御回数が特定回数たとえば、５回以上かを判断する（Ｓ３２）。このＯＮ／ＯＦＦ制御回数が特定回数たとえば、５回に到達するまで、改質水ポンプ３８のＯＮ／ＯＦＦ制御を継続する。

改質水ポンプ３８のＯＮ／ＯＦＦ制御回数が特定回数たとえば、５回以上に到達すれば（Ｓ３２のＹＥＳ）、改質水ポンプ３８の異常解消制御を完了する（Ｓ３３）。そして、異常履歴の記録を行い（Ｓ３４）、Ｓ１６（図８）にリターンする。

このようなＯＮ／ＯＦＦ制御回数を特定回数以下に制限することにより、過度の改質水ポンプ３８の異常解消制御の継続を回避でき、正常動作への復帰を迅速化することができる。

＜改質水ポンプ３８の駆動パターン＞

図１１は、改質水ポンプ３８の駆動パターンの処理手順を示している。

改質水ポンプ３８のＯＮ／ＯＦＦ制御はスタート時刻ｔｓから終了時刻ｔｅを単位とする。この処理手順では、時間ｔｓ＜ｔ＜ｔ１：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ４１）。この時間ｔ１の経過後、時間ｔ１≦ｔ＜ｔ２：ポンプ出力Ｐ＝３０〔％〕に設定される（Ｓ４２）。この時間ｔ２の経過後、時間ｔ２≦ｔ＜ｔ３：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ４３）。この時間ｔ３の経過後、時間ｔ３≦ｔ＜ｔ４：ポンプ出力Ｐ＝７０〔％〕に設定される（Ｓ４４）。この時間ｔ４の経過後、時間ｔ４≦ｔ＜ｔ５：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ４５）。この時間ｔ５の経過後、時間ｔ５≦ｔ＜ｔ６：ポンプ出力Ｐ＝５０〔％〕に設定される（Ｓ４６）。この時間ｔ６の経過後、時間ｔ６≦ｔ＜ｔ７：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ４７）。この時間ｔ７の経過後、時間ｔ７≦ｔ＜ｔ８：ポンプ出力Ｐ＝１００〔％〕に設定される（Ｓ４８）。この時間ｔ８の経過後、時間ｔ８≦ｔ＜ｔｅ：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ４９）。

このようなポンプ出力Ｐ＝０〔％〕、３０〔％〕、０〔％〕、７０〔％〕、０〔％〕、５０〔％〕０〔％〕、１００〔％〕、０〔％〕を単位とするＯＮ／ＯＦＦ制御により、異常解消制御が行われる。

この駆動パターンにより、改質水ポンプ３８には図１２に示すように、出力パターンが得られる。図１２は、その出力パターンを横軸に時間、縦軸にポンプ出力を取り示している。

この場合、改質水ポンプ３８を断続的にＯＮ／ＯＦＦ制御し、ＯＮ／ＯＦＦ毎にポンプ出力を変える。このＯＮ／ＯＦＦ制御において、ＯＮ時間またはＯＦＦ時間は一定で無くてもよく、異なってもよい。

＜第１の実施の形態の効果＞

第１の実施の形態によれば、次のような効果が得られる。

(1) ＦＣシステム２において、たとえば、プランジャーポンプが用いられる改質水ポンプ３８の動作不良に起因してＦＣシステム２が異常となった場合に、改質水ポンプ３８の異常解消制御により、システム異常を解消することができる。

(2) この場合、改質水ポンプ３８の異常に起因したＦＣシステム２の異常を解消するためのポンプ交換などのメンテナンス作業を軽減できる。つまり、改質水ポンプ３８の異常が異常解消制御によって正常動作に復帰でき、エラー発報や軽微な動作不良に要するメンテナンス作業を不要化できる。

(3) この実施の形態では、改質水ポンプ３８の動作を監視し、その異常を検知している。つまり、ＦＣシステム２の異常を検知すれば、改質水ポンプ３８の出力を変化させる異常解消制御を行う。

(4) この異常解消制御後、通常運転を行う。この通常運転への移行により、異常が検知されなければ、正常運転として運転を継続する。これに対し、異常検知状態を特定回数だけ繰り返す場合にはエラー発報を行い、システム点検を行う。これにより、点検回数を削減できる。

(5) 異常解消制御と通常運転制御とを繰り返すことにより、軽微な異常を除くことができ、判断結果に従った適切な対応を取ることができる。

(6) エラー発生や発報の回数を低減でき、システムの信頼性の向上とともに、メンテナンス作業を軽減してコストダウンを図ることができる。

〔第２の実施の形態〕

図１３は、第２の実施の形態に係る改質水ポンプ３８の異常解消制御を示している。

上記実施の形態の異常解消制御では、改質水ポンプ３８による改質水Ｗ１の搬送方向を一方向に設定しているのに対し、この実施の形態では、改質水Ｗ１の搬送について、一方向とその反対方向を交互に繰り返している。

この処理手順では、時間ｔｓ＜ｔ＜ｔ１１：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ５１）。この時間ｔ１１の経過後、時間ｔ１１≦ｔ＜ｔ１２：ポンプ出力Ｐ＝−３０〔％〕に設定される（Ｓ５２）。この場合、通常の搬送方向と逆方向にＰ＝−３０〔％〕のポンプ出力が与えられる。

この時間ｔ１２の経過後、時間ｔ１２≦ｔ＜ｔ１３：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ５３）。この時間ｔ１３の経過後、時間ｔ１３≦ｔ＜ｔ１４：ポンプ出力Ｐ＝７０〔％〕に設定される（Ｓ５４）。つまり、逆方向から通常の搬送方向に切り替えられ、ポンプ出力Ｐ＝７０〔％〕が設定される。

この時間ｔ１４の経過後、時間ｔ１４≦ｔ＜ｔ１５：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ５５）。この時間ｔ１５の経過後、時間ｔ１５≦ｔ＜ｔ１６：ポンプ出力Ｐ＝−６０〔％〕に設定される（Ｓ５６）。ここで、搬送方向が反転する。

そして、この時間ｔ１６の経過後、時間ｔ１６≦ｔ＜ｔ１７：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ５７）。この時間ｔ１７の経過後、時間ｔ１７≦ｔ＜ｔ１８：ポンプ出力Ｐ＝１００〔％〕に設定される（Ｓ５８）。この時間ｔ１８の経過後、時間ｔ１８≦ｔ＜ｔｅ：ポンプ出力Ｐ＝０〔％〕に設定される（Ｓ５９）。

このようなポンプ出力Ｐ＝０〔％〕、−３０〔％〕、０〔％〕、＋７０〔％〕、０〔％〕、−６０〔％〕、０〔％〕、１００〔％〕、０〔％〕を単位とするＯＮ／ＯＦＦ制御により、異常解消制御が行われる。

この駆動パターンにより、改質水ポンプ３８には図１４に示すように、出力パターンが得られる。図１４は、その出力パターンを横軸に時間、縦軸にポンプ出力を取り示している。

この実施の形態においても、改質水ポンプ３８を断続的にＯＮ／ＯＦＦ制御し、ＯＮ／ＯＦＦ毎にポンプ出力を変える。このＯＮ／ＯＦＦ制御において、ＯＮ時間またはＯＦＦ時間は一定で無くてもよく、異なってもよい。

〔他の実施の形態〕

(1) 上記実施の形態の異常解消制御では、改質水ポンプ３８のＯＮ／ＯＦＦ制御について、設定された圧力値を一定時間だけ同一値に設定しているが、図１５に示すように、ＯＮ／ＯＦＦ制御の周期より短い周期で断続させてもよい。

(2) 改質水ポンプ３８のＯＮ／ＯＦＦ制御について、図１６に示すように、ポンプ出力を正弦波の半波波形で変化させてもよく、図１７に示すように、ポンプ出力を鋸歯状波形で変化させてもよい。また、このような半波波形や鋸歯状波形の駆動パターンで、図１８または図１９に示すように、改質水の搬送方向を交互に変化させてもよい。

(3) 上記実施の形態では、改質水ポンプ３８にプランジャーポンプを使用することを例示したが、プランジャーポンプ以外で改質水ポンプ３８を構成してもよい。

(4) 上記実施の形態では、燃料電池ユニットを含むＦＣシステム２を例示したが、本発明は、燃料電池ユニットのみを備える構成であってもよい。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、又は発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明は、改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットまたは該燃料電池ユニットを含むＦＣシステムにおいて、動作異常を生じた際に、動作異常が改質水の流量異常に関する特定異常かを判断し、特定異常であれば改質水ポンプを正常時と異なる駆動パターンで駆動する異常解消制御を行うので、異常時、その異常を自己解消し、動作の正常化を図ることができ、軽微な異常に対するメンテナンスを軽減できるなど、有益である。

２ ＦＣシステム
４ 燃料電池ユニット
６ 貯湯ユニット
８ 燃料電池スタック
１０ 燃料処理装置
１２ 水タンク
１４−１、１４−２ ドレイナ
１６ 熱交換器
１８ 制御部
２０ 貯湯タンク
２２−１、２２−２ 水経路
２４ 燃料処理部
２６ 燃焼部
２８ 燃料経路
３０ 選択酸化空気経路
３２−１、３２−２ ガス経路
３４ 排気経路
３６ スタック電圧計
３８ 改質水ポンプ
４０−１ 燃料流量計
４０−２ 選択酸化空気流量計
４２−１ スタック入口圧力計
４２−２ 圧力計
４２−３ 燃料経路圧力計
４２−４ 選択酸化空気経路圧力計
４４ 温度センサ
４６ 熱電対
４８ フレームロッド
５０ 燃料ブロア
５２ 選択酸化空気ブロア
５４ 表示部
５６ エラー発報部
５８ ポンプ駆動部
６０ プロセッサ
６２ ＲＯＭ
６４ ＮＶＭ
６６ ＲＡＭ
６８ 入力部
７０ 出力部
７２ 表示制御部
７４ ポンプ制御部
７６ 機能
７８ 情報取得機能
８０ システム停止機能
８２ 特定異常判別機能
８４ 異常解消制御機能
８６ 異常解消制御カウント機能
８８ 状態告知機能
９０ 異常履歴記録機能
１００ 特定情報判別データテーブル
１０２ 燃料経路情報
１０４ 選択酸化空気経路情報
１０６ 改質ガス経路情報
１０８ 異常状態情報
１１０ 情報番号
１１２ 経路・機器
１１４ 状態
１１６ 備考
１２０ 表示画面
１２２、１２４、１２６、１２８ メッセージ
２００ 異常履歴記録データテーブル
２０２ 情報番号
２０４ 日／時
２０６ 異常検知
２０８ 制御形態
２１０ 回数
２１２ エラー発報
２１４ 現状情報

Claims (10)

1. 改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットであって、
   少なくとも温度情報、燃焼情報、電圧情報、燃料または空気の搬送情報のいずれかを取得する情報取得手段と、
   前記情報取得手段が取得した情報から異常を検知した経路が燃料経路、選択酸化空気経路またはガス経路のいずれであるかを判別し、異常を検知した経路が前記燃料経路または前記選択酸化空気経路であれば前記改質水の流量異常に関係する特定異常と判断し、異常を検知した経路が前記ガス経路であれば、圧力異常に該当する場合、または圧力異常が無くても温度異常、失火異常、電圧異常のいずれかに該当する場合に前記特定異常と判断し、正常時と異なる駆動パターンで前記改質水ポンプを駆動する異常解消制御を実行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記駆動パターンは、前記改質水ポンプの断続動作、ポンプ出力の増減動作、前記改質水の流量方向の反転切替え動作の何れかまたは２以上を含む請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記制御手段は、前記異常解消制御の回数をカウントし、そのカウント数が所定回数に到達した場合に異常告知情報を出力する請求項１または請求項２に記載の燃料電池ユニット。
4. 改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットに搭載されたコンピュータに実行させる制御プログラムであって、
   少なくとも温度情報、燃焼情報、電圧情報、燃料または空気の搬送情報のいずれかを取得し、
   取得した情報から異常を検知した経路が燃料経路、選択酸化空気経路またはガス経路のいずれであるかを判別し、異常を検知した経路が前記燃料経路または前記選択酸化空気経路であれば前記改質水の流量異常に関係する特定異常と判断し、異常を検知した経路が前記ガス経路であれば、圧力異常に該当する場合、または圧力異常が無くても温度異常、失火異常、電圧異常のいずれかに該当する場合に前記特定異常と判断し、
   前記特定異常の際、正常時と異なる駆動パターンで前記改質水ポンプを駆動する異常解消制御を行う
   処理を前記コンピュータに実行させるための燃料電池ユニットの制御プログラム。
5. 前記異常解消制御の回数をカウントし、そのカウント数が所定回数に到達した場合に異常情報を生成する
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池ユニットの制御プログラム。
6. 改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットの制御方法であって、
   少なくとも温度情報、燃焼情報、電圧情報、燃料または空気の搬送情報のいずれかを取得し、
   取得した情報から異常を検知した経路が燃料経路、選択酸化空気経路またはガス経路のいずれであるかを判別し、異常を検知した経路が前記燃料経路または前記選択酸化空気経路であれば前記改質水の流量異常に関係する特定異常と判断し、異常を検知した経路が前記ガス経路であれば、圧力異常に該当する場合、または圧力異常が無くても温度異常、失火異常、電圧異常のいずれかに該当する場合に前記特定異常と判断し、
   前記特定異常の際、正常時と異なる駆動パターンで前記改質水ポンプを駆動する異常解消制御を行う
   ことを特徴とする燃料電池ユニットの制御方法。
7. 前記異常解消制御の回数をカウントし、そのカウント数が所定回数に到達した場合に異常情報を生成する
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池ユニットの制御方法。
8. 改質水を搬送する改質水ポンプを備える燃料電池ユニットを含む燃料電池コジェネレーションシステムであって、
   少なくとも温度情報、燃焼情報、電圧情報、燃料または空気の搬送情報のいずれかを取得する情報取得手段と、
   前記情報取得手段が取得した情報から異常を検知した経路が燃料経路、選択酸化空気経路またはガス経路のいずれであるかを判別し、異常を検知した経路が前記燃料経路または前記選択酸化空気経路であれば前記改質水の流量異常に関係する特定異常と判断し、異常を検知した経路が前記ガス経路であれば、圧力異常に該当する場合、または圧力異常が無くても温度異常、失火異常、電圧異常のいずれかに該当する場合に前記特定異常と判断し、正常時と異なる駆動パターンで前記改質水ポンプを駆動する異常解消制御を実行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム。
9. 前記駆動パターンは、前記改質水ポンプの断続動作、ポンプ出力の増減動作、前記改質水の流量方向の反転切替え動作の何れかまたは２以上を含む請求項８に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
10. 前記制御手段は、前記異常解消制御の回数をカウントし、そのカウント数が所定回数に到達した場合に異常情報を出力する請求項８または請求項９に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。

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