JP6392545B2 - 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば固体酸化物形燃料電池などの燃料電池を備えた燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法に関するものである。

従来より、酸化剤ガス（例えば空気中の酸素）と燃料ガス（例えば水素）とを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムとして、例えば固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。

また、燃料電池としては、例えば固体電解質層の両側に燃料極と空気極とを備えた単セルを有する板状の発電セル（燃料電池セル）を、複数個積層した燃料電池スタックが使用されている。

上述した燃料電池システムとしては、都市ガス等の原燃料を改質水を用いて燃料ガスに改質する改質器と、改質器で改質された燃料ガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックの動作を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。

この燃料電池システムでは、燃料電池システムの稼働を停止させる停止制御形態が異なる複数の停止制御形態を備えており、異常原因に応じて、複数の停止制御形態から特定の停止制御形態を選択する制御を行っている。

また、従来技術では、燃料電池システムの稼働時に、改質水の流量に異常があった場合には、重篤な異常と判断して、酸化剤ガス、燃料ガス、改質水の供給を停止して、燃料電池システムを緊急停止させている。

ここで、改質水に異常がある場合に、燃料電池システムを緊急停止するのは、例えばそのまま燃料ガス等を供給し続けると、改質水と燃料ガスとの混合比が変化してカーボンが析出する等の問題が生じる恐れがあるからである。

特開２０１２−２５３０３３号公報

しかしながら、上述したように、燃料電池システムの稼働時に、改質水の流量に異常があった場合に、燃料電池システムを緊急停止させ、そのまま停止状態を継続すると、場合によっては、燃料電池スタックに損傷（劣化）が発生する可能性があった。

つまり、燃料電池システムを緊急停止させると、異常が発生した瞬間の状態によっては、例えば酸化剤ガスの燃料極（アノード）への回り込みや、燃料ガスの空気極（カソード）への回り込みが発生し、それによって、電極が劣化する可能性があった。

詳しくは、例えば、緊急停止によって燃料電池スタック中に残留した酸化剤ガスが、燃料極に回り込むと、電極中のＮｉ成分が酸化凝縮する等によって電極が劣化する可能性があった。

しかも、燃料電池システムを緊急停止させると、燃料電池スタックは徐々に自然冷却されるものの、燃料電池スタックは稼働時には高温（例えば７００℃程度）となっているので、その高温状態からなかなか温度が低下しない。そのため、この温度が高い状態で、例えば酸化剤ガスが燃料極に回り込むと、上述した電極の劣化等が激しくなる恐れがあった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、改質水の流量に異常があった場合に、燃料電池システムの動作を制御する際に、燃料電池の劣化を低減できる燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法を提供することにある。

（１）本発明は、第１態様（燃料電池システムの制御装置）として、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、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料供給手段（例えば燃料ポンプ）と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段（例えば空気ポンプ）と、原燃料を改質水を用いて前記燃料ガスに改質する改質器と、前記改質器に前記改質水を供給する改質水供給手段（例えば改質水を供給するポンプ）と、前記改質水の流量の状態を検出する流量状態検出手段（例えば流量センサ）と、を備えた燃料電池システムの動作を制御する燃料電池システムの制御装置において、前記流量状態検出手段の信号に基づいて、前記改質水の流量の異常を判定する異常判定手段と、前記異常判定手段によって前記改質水の流量に異常があると判定された場合には、前記改質水供給手段の動作を正常な状態に復帰させる復帰手段と、を備え、前記改質水供給手段は、前記改質水を供給するポンプを駆動するモータを備えており、前記復帰手段は、前記モータを逆回転させる制御手段であり、前記異常判定手段によって前記改質水の流量に異常があると判定された場合には、外部負荷及び系統電力システムからの解列を行い、且つ、前記燃料供給手段と前記酸化剤供給手段と前記改質水供給手段との動作を停止することによって、発電の停止処理を行い、前記発電の停止処理を実施した後に、前記復帰手段によって、前記モータを逆回転させることを特徴とする。

本第１態様では、異常判定手段によって、流量状態検出手段の信号に基づいて、改質水の流量の異常を判定し、改質水の流量に異常があると判定された場合には、外部負荷及び系統電力システムからの解列を行い、且つ、燃料供給手段と酸化剤供給手段と改質水供給手段との動作を停止することによって、発電の停止処理を行い、その発電の停止処理を実施した後に、復帰手段によって、ポンプのモータを逆回転させる動作を行うことにより、改質器に改質水を供給する改質水供給手段の動作を正常な状態に復帰させる。

つまり、本第１態様では、改質水の流量に異常がある場合には、従来のように、単に燃料ガス等の供給を緊急停止して、そのまま燃料電池システムの停止状態を維持するのではなく、改質水供給手段の動作を正常な状態に復帰させる制御を行っている。

これによって、改質水が正常に供給されるようになった場合には、緊急停止を維持する必要がないので、燃料電池システムの動作を緊急停止から速やかに復帰（再稼働）させることができる。これによって、緊急停止状態を維持した場合に生ずる恐れのある電極の劣化を抑制できるので、燃料電池の劣化を抑制して耐久性を向上させることができる。

ここで、上述した復帰動作を行う理由は、改質水の流量が異常になる原因として、ゴミ等が改質水を供給するポンプに噛み込むことによって生じることが多いので、簡単な復帰動作によって、ゴミ等が取り除かれて、改質水の流量が正常に戻る可能性があるからである。
また、本第１態様では、改質水の流量に異常があると判定された場合には、燃料供給手段と酸化剤供給手段との動作を停止して、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止するので、改質水が供給されない状態で燃料ガスや酸化剤ガスの供給が継続されることがない。これにより、例えば燃料ガスと改質水との混合比の変化によるカーボンの析出を防止することができる。

（２）本発明は、第２態様として、前記流量状態検出手段の信号に基づいて、前記復帰手段によって前記改質水の流量の異常が解消されたか否かを判定する復帰判定手段を備えたことを特徴とする。

本第２態様では、流量状態検出手段（例えば流量センサ）の信号に基づいて、復帰手段によって改質水の流量の異常が解消されたか否かを判定することができる。従って、この判定結果に基づいて、その後の燃料電池システムの動作を好適に制御することができる。

例えば、改質水の流量の異常が解消されない場合には、燃料ガスや酸化剤ガスや改質水の供給を停止し、逆に、改質水の流量の異常が解消された場合には、燃料ガスや酸化剤ガスの供給を再開する等のよう制御することにより、燃料電池の劣化を抑制するような好適な制御を行うことができる。

（３）本発明は、第３態様として、前記復帰判定手段によって、前記改質水の流量の異常が解消されたと判定された場合には、前記燃料供給手段と前記酸化剤供給手段の動作を再開する動作再開手段を備えたことを特徴とする。

本第３態様では、改質水の流量の異常が解消されたと判定された場合には、（改質水を利用した改質によって得られた）燃料ガスを用いた通常の発電が可能であるので、燃料供給手段と酸化剤供給手段によって、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を再開して、発電を再開することができる。

つまり、本第３態様によって、燃料電池システムを緊急停止させた状態から速やかに復帰（再稼働）することができるので、上述した電極の劣化を抑制して、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

（４）本発明は、第４態様として、前記燃料電池システムが、前記燃料電池の起動時に該燃料電池を加熱する起動バーナーを備えている場合に、前記復帰判定手段によって前記改質水の流量の異常が解消されていないと判定されたときには、前記動作停止手段による動作を継続するとともに、前記起動バーナーに前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする。

本第４態様では、改質水の流量の異常が解消されていないと判定されたときには、燃料ガスと酸化剤ガスの供給停止の動作を継続するとともに、起動バーナーに酸化剤ガスを供給して燃料電池を冷却する。

これにより、速やかに燃料電池の温度を下げることができるので、高温の状態で燃料ガスや酸化剤ガスが電極に接触することによる燃料電池の損傷を抑制することができる。
（５）本発明は、第５態様として、前記発電の停止処理を実施した後に、前記復帰手段を実施する時間に達した場合には、前記モータを逆回転させることを特徴とする。
（６）本発明は、第６態様として、 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、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、原燃料を改質水を用いて前記燃料ガスに改質する改質器と、前記改質器に前記改質水を供給する改質水供給手段と、前記改質水の流量の状態を検出する流量状態検出手段と、を備えた燃料電池システムの動作を制御する燃料電池システムの制御方法において、前記改質水供給手段は、前記改質水を供給するポンプを駆動するモータを備えており、前記改質水の流量に異常があると判定された場合には、外部負荷及び系統電力システムからの解列を行い、且つ、前記燃料供給手段と前記酸化剤供給手段と前記改質水供給手段との動作を停止することによって、発電の停止処理を行い、前記発電の停止処理を実施した後に、前記モータを逆回転させる復帰動作を行うことを特徴とする。

本第６態様は、前記第１態様と同様な効果を奏する。

（７）本発明は、第７態様として、前記流量状態検出手段の信号に基づいて、前記改質水の流量の異常が解消されたか否かを判定することを特徴とする。

本第７態様は、前記第２態様と同様な効果を奏する。
（８）本発明は、第８態様として、前記改質水の流量の異常が解消されたと判定された場合には、前記燃料供給手段と前記酸化剤供給手段の動作を再開することを特徴とする。

本第８態様は、前記第３態様と同様な効果を奏する。
（９）本発明は、第９態様として、前記燃料電池システムが、前記燃料電池の起動時に該燃料電池を加熱する起動バーナーを備えている場合に、前記改質水の流量の異常が解消されていないと判定されたときには、前記動作停止手段による動作を継続するとともに、前記起動バーナーに前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を冷却することを特徴とする。

本第９態様は、前記第４態様と同様な効果を奏する。
（１０）本発明は、第１０態様として、前記発電の停止処理を実施した後に、前記復帰動作を実施する時間に達した場合には、前記モータを逆回転させることを特徴とする。
以下、本発明の各構成について説明する。
ここで、燃料ガスとは、燃料となる還元剤（例えば水素）を含むガスを示し、酸化剤ガスとは、酸化剤（例えば酸素）を含むガス（例えば空気）を示している。

燃料電池としては、例えば、ＺｒＯ₂系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池が挙げられる。

この燃料電池としては、例えば燃料極層と固体電解質層と空気極層とを一体に積層した単セルを備えた構成、例えば単セルを厚み方向に複数積層した燃料電池スタックを採用できる。

酸化剤供給手段としては、酸化剤ガスを燃料電池に供給する空気ポンプが挙げられる。
燃料供給手段としては、燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ポンプが挙げられる。なお、通常は、燃料ポンプ等を作動させて、原燃料を改質器に供給することによって、燃料ガスを燃料電池に供給することができるので、この燃料供給手段には、原燃料を供給して燃
料ガスを燃料電池に供給する内容も含むことができる。

この原燃料としては、改質によって水素を生成できる各種の原料ガス、例えば天然ガス（例えばＬＮＧ）、都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、バイオメタノールなどを採用できる。

改質器とは、原燃料を改質水を用いて燃料ガスに改質する装置である。つまり、原燃料を、より発電に好適な組成に改質（例えば都市ガス等をより水素成分の多い組成のガスに改質（水蒸気改質））する装置のことである。

改質水供給手段としては、改質器に改質水を供給する改質水ポンプが挙げられる。
流量状態検出手段としては、改質水の流量を検出する流量センサや、改質水の供給の有無（即ち供給される改質水の有無）を検出するセンサが挙げられる。

異常判定手段、復帰手段（制御手段）、動作停止手段、復帰判定手段、動作再開手段、冷却手段は、例えばマイクロコンピュータ等の電子制御装置によって実現することができる。

実施例の燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 実施例の燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 実施例の燃料電池システムのコントローラーによる制御処理（特に運転時において停止に関する処理）を示すフローチャートである。 実施例の燃料電池システムのコントローラーによる復帰動作処理を示すフローチャートである。

次に、本発明の燃料電池システムの制御装置、燃料電池システムの制御方法を実施するために形態として、固体酸化物形燃料電池システムを例にあげて説明する。

ａ）まず、固体酸化物形燃料電池システムの全体の構成について説明する。尚、以下では、「固体酸化物形」を省略する
図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、系統電力（商用電力）側のシステム（系統電力システム）３と接続されており、燃料電池システム１と系統電力システム３とによって、燃料電池・系統電力連係システム５が構成されている。

そして、この燃料電池・系統電力連係システム５では、燃料電池システム１と系統電力システム３とが連係して、負荷（図示せず）に電力を供給するように構成されている。
このうち、燃料電池システム１は、断熱容器９を備えるとともに、断熱容器９内に、周知の複数の発電セル（燃料電池セル：図示せず）が積層された燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１の温度を検出する温度センサ１３と、改質水を気化する気化器１５と、原燃料（原燃料ガス）を改質する改質器１７と、燃料電池スタック１１を加熱する起動バーナー１９とを備えている。

また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１１に酸化剤ガス（例えば空気：以下空気と称する）を供給する空気流路２１と、気化器１５に燃料ガスを供給する燃料流路２３と、気化器１５に改質水を供給する改質水流路２５と、起動バーナー１９に混合気（原燃料と空気との混合気）を供給する混合気流路２７とを備えている。

このうち、空気流路２１には、上流側より、空気流路２１を流れる空気の流量（従って燃料電池スタック１１に供給される空気の流量）を計測する空気用流量センサ２９と、空気を燃料電池スタック１１に供給する空気ポンプ３１とが配置されている。

燃料流路２３には、上流側より、燃料流路２３を開閉する第１電磁弁３３と、燃料流路２３を流れる原燃料の流量（従って燃料電池スタック１１に供給される燃料ガスの流量）を計測する燃料用流量センサ３５と、気化器１５（従って改質器１７）に原燃料を供給する燃料ポンプ３７とが配置されている。

改質水流路２５には、上流側より、改質水を気化器１５に供給する改質水ポンプ３９と、改質水の流量を計測する改質水用流量センサ４１とが配置されている。
混合気流路２７は、混合気用の空気の流路４３と混合気用の原燃料の流路４５とが途中の比例弁４７にて合流するように構成されたものであり、空気の流路４３には、空気を起動バーナー１９に供給する混合気ポンプ４９が配置され、原燃料の流路４５には、その流路４５を開閉する第２電磁弁５１が配置されている。

更に、前記燃料電池システム１では、燃料電池スタック１１は電力（電流）の出力経路５３を介して電力変換装置（パワーコンディショナー）５５と接続されており、その出力経路５３には、燃料電池スタック１１の出力（直流）の電流を計測する電流センサ５７と、その出力の電圧を検出する電圧センサ５９とが配置されている。なお、系統電力システム３は、パワーコンディショナー５５の出力経路６１に接続されている。

そして、上述した燃料電池システム１は、後述するように、各種のセンサやアクチュエータに接続されたコントローラー６３によってその動作が制御されるように構成されている。

以下、各構成について詳しく説明する。
前記燃料電池スタック１１は、発電単位である板状の発電セルが板厚方向に複数（例えば２０枚）積層されたものであり、その積層方向の両側から直流電流を取り出すことができるように構成されている。

なお、図示しないが、発電セルは、例えば周知の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、固体電解質層（固体酸化物層）の両側に空気極と燃料極とが形成された単セルを備え、空気極側に空気を供給するとともに燃料極側に燃料ガス（例えば水素）を供給することにより、両電極間に電位差が発生する。電位差が発生したときに負荷と接続することで、負荷への電力の供給が可能になる。

温度センサ１３は、燃料電池スタック１１の側面の中央部（即ち前記積層方向における中央部）に配置され、その側面の温度を検出するセンサである。
気化器１５は、改質水を加熱して気化して水蒸気を生成する装置であり、その水蒸気が改質器１７に供給される。

改質器１７は、内部に改質用の触媒（例えばルテニウム又はニッケル）を備えた装置であり、この改質器１７内に導入された原燃料が、（気化器１５から供給された水蒸気によって）水蒸気改質されることにより、原燃料より水素の割合が多い（水素リッチの）燃料ガスが生成される。

起動バーナー１９は、燃料電池スタック１１の温度が、発電に好適な温度となるように加熱するヒーターであり、外部から供給される空気と原燃料との混合気を燃焼させることによって発熱する。なお、後述するように、起動バーナー１９に空気のみを供給すること
によって、燃料電池スタック１１の温度を下げることが可能である。

空気ポンプ３１は、外部の空気を燃料電池スタック１１に供給するポンプであり、燃料ポンプ３７は、例えば都市ガス等の原燃料を気化器１５（従って改質器１７）に供給するポンプであり、改質水ポンプ３９は、改質水タンク（図示せず）から改質水を汲み上げて気化器１５に供給するポンプであり、混合気ポンプ４９は、混合気を起動バーナー１９に供給するポンプである。

これらのポンプは、周知のポンプモータ（図示せず）により駆動されるが、特に本実施例では、改質水ポンプ３９のポンプモータとして、正転及び逆転が可能なステッピングモータが用いられている。

なお、これらのポンプの動作は、コントローラー６３からの指令（制御信号）により制御される。
空気用流量センサ２９は、空気の流量を計測する流量センサであり、燃料用流量センサ３５は、原燃料（従って燃料ガス）の流量を計測する流量センサであり、改質水用流量センサ４１は、改質水の流量を計測する流量センサである。

第１電磁弁３３は、気化器１５に対する原燃料の供給及び停止を調節するバルブであり、第２電磁弁５１は、起動バーナー１９に対する原燃料（空気に混入する原燃料）の供給及び停止を調節するバルブである。これらのバルブの開閉は、コントローラー６３からの指令（制御信号）により制御される。

パワーコンディショナー（ＰＣ）５５は、燃料電池スタック１１で発電された直流電力を系統電力システム３側に供給するために交流電力（例えば２００Ｖの商用電力）に変換する装置である。なお、このパワーコンディショナー５５としては、一般的な直流−交流逆変換装置を使用することができる。

コントローラー６３は、周知のマイコン等を備えた電子制御装置であり、パワーコンディショナー５５からの制御情報（例えば発電量）、燃料電池システム１の運転状態を示す各種のセンサからの情報に基づいて、燃料電池システム１の運転状態を制御する。

詳しくは、図２に示すように、コントローラー６３には、上述した空気用流量センサ２９、燃料用流量センサ３５、改質水用流量センサ４１、温度センサ１３、電流センサ５７等が接続され、各センサからの検出信号が、コントローラー６３に入力するように構成されている。

また、コントローラー６３には、空気ポンプ３１、燃料ポンプ３７、改質水ポンプ３９、混合気ポンプ４９、第１電磁弁３３、第２電磁弁５１が接続され、コントローラー６３からは、各ポンプや電磁弁の動作を制御する制御信号が出力される。

なお、コントローラー６３は、パワーコンディショナー５５とはデータの送受信が可能であり、パワーコンディショナー５５には、電圧センサ５９からの検出信号が入力するように構成されている。

ｂ）次に、コントローラー６３によって制御される燃料電池システム１の動作について説明する。
＜改質水の流量に異常が発生した場合の処理等＞
ここでは、燃料電池システム１を通常に稼働させている場合（発電している場合）に、改質水の流量に異常が発生したときの処理を中心にして説明する。

図３のフローチャートに示すように、ステップ（Ｓ）１００では、燃料電池スタック１１にて、通常のように発電を行う。
詳しくは、起動時には、燃料電池スタック１１の温度が低い場合には、第２電磁弁５１を開き、混合気ポンプ４９を作動させて、起動バーナー１９によって、燃料電池スタック１１の加熱を行う。それとともに、改質水ポンプ３９を作動させて、改質水を気化器１５に供給して水蒸気を生成し、生成した水蒸気によって、改質器１７、燃料電池スタック１１内部をパージする。

そして、改質水ポンプ３９の作動を継続した状態で、空気ポンプ３１を作動させて、空気を燃料電池スタック１１に供給して、それから、第１電磁弁３３を開き、燃料ポンプ３７を作動させて、原燃料を気化器１５を介して改質器１７に供給する。

改質器１７では、水蒸気を用いて原燃料の改質を行い、生成した燃料ガスを燃料電池スタック１１に供給する。これらの起動運転により、燃料電池スタック１１の温度を上昇させる。

なお、起動バーナー１９は、燃料電池スタック１１が所定の温度に達したら停止する。つまり、第２電磁弁５１を閉じて混合気ポンプ４９を停止する。
これにより、燃料電池スタック１１（詳しくは発電セル）では、発電可能な温度（例えば７００℃）に到達する。

そして、燃料電池スタック１１が発電可能な温度に達したら、上述した運転状態を継続し、供給された燃料ガス及び空気を用いて発電を行う。
続くステップ１１０では、燃料電池システム１において、通常の運転停止（発電の停止）を指示するスイッチである停止スイッチ（図示せず）がオンされたか否かを判定する。ここで、停止が指示されたと判定されるとステップ１２０に進み、一方、停止が指示されていないと判定されるとステップ１３０に進む。

ステップ１２０では、通常の運転停止が指示されたので、周知の運転の停止の処理（通常の停止処理）を行って、一旦本処理を終了する。
ここで、通常の停止処理とは、燃料電池システム１と外部負荷及び系統電力システム３とを解列（電気的な接続を遮断）するとともに、通常の発電時のように、燃料ガスと改質水と空気との供給を継続し、燃料電池スタック１１の温度が所定温度（例えば４００℃）に低下した後に、燃料ガスと改質水と空気との供給を停止する処理である。

なお、燃料ガスと改質水と空気との供給を停止する場合には、第１電磁弁３３を閉鎖し、燃料ポンプ３７、改質水ポンプ３９、空気ポンプ３１の動作を停止する。
また、この通常の停止処理の際には、燃料電池スタック１１の温度を速やかに低下させるために、例えば特開２０１３−１８６９４５号公報等に記載のような周知の降温処理（例えば燃料ポンプ３７から気化器１５に送られる燃料ガスの流量の間欠的な制御等）を行うことが望ましい。

一方、ステップ１３０では、燃料電池システム１に、軽異常が発生したか否かを判定する。ここで、軽異常が発生したと判定されるとステップ１４０に進み、一方、軽異常が発生していないと判定されるとステップ１５０に進む。

ここで、軽異常とは、軽異常に該当する事象の発生後に、そのまま所定期間燃料ガスや空気や改質水の供給を継続しても支障がないような軽度の異常のことである。詳しくは、軽度の異常とは、燃料電池システム１に大きな損傷が発生したり、有害ガス等が発生しな
い程度の異常を示している。

なお、軽異常としては、例えば燃料電池スタック温度異常（燃料電池スタック１１の温度の異常）、スタック熱電対断線（燃料電池スタック１１の温度を検出する熱電対の断線）、バーナー熱電対断線（起動バーナー１９の温度を検出する熱電対の断線）、バーナー温度異常（起動バーナー１９の温度異常）、バーナー点火失敗、バーナー失火等の各種の軽異常が挙げられる。

ステップ１４０では、軽異常が発生したので、軽異常の発生に対応した停止処理（軽異常の停止処理）を行って、一旦本処理を終了する。
ここで、軽異常の停止処理とは、軽異常が発生した場合に、燃料電池システム１と外部負荷及び系統電力システム３とを解列するとともに、下記の表１に示す所定の手順に沿って、段階を追って燃料電池システム１の稼働を停止する処理である。

具体的には、第１段階では、第１電磁弁３３を開いたままで燃料ポンプ３７の作動を継続するととともに、改質水ポンプ３９及び空気ポンプ３１の作動を継続する。また、第２電磁弁５１は閉鎖して混合気ポンプ４９の作動は停止した状態とする。ここでは、起動バーナー１９による加熱は停止される。

そして、燃料電池スタック１１の温度が所定の温度（例えば４００℃）となると、第２段階に移行する。
続く第２段階では、第１電磁弁３３を閉じるとともに燃料ポンプ３７の作動を停止する。一方、改質水ポンプ３９及び空気ポンプ３１の作動を継続する。また、第２電磁弁５１は閉鎖して混合気ポンプ４９の作動は停止した状態とする。これによって、燃料ガスが燃料電池スタック１１から排出（パージ）される。

そして、所定の時間の経過後（例えば３０秒後）、第３段階に移行する。
続く第３段階では、第１電磁弁３３を閉じるとともに燃料ポンプ３７の作動を停止する。同様に、改質水ポンプ３９及び空気ポンプ３１の作動を停止する。一方、第２電磁弁５１は閉鎖して混合気ポンプ４９の作動を行う。これによって、起動バーナー１９から空気のみが供給されるので、燃料電池スタック１１が冷却される。

また、この軽異常の停止処理の際にも、上述した降温処理を行うことが望ましい。
また、前記ステップ１３０で否定判断されて進むステップ１５０では、改質水の流量の異常が発生したか否かを判定する。ここで、改質水の流量の異常が発生したと判定されるとステップ１６０に進み、一方、改質水の流量の異常が発生していないと判定されるとステップ２１０に進む。

例えば、改質水用流量センサ４１からの信号に基づいて、改質水の流量が所定以下（例えば０．１ｍｌ／ｍｉｎ以下）の非常に少ない流量である場合、又は流量が０である場合には、流量に異常があると判定する。

ステップ１６０では、改質水の流量が異常であるので、発電の停止処理（流量異常の発電停止処理）を行う。
ここで、流量異常の発電停止処理とは、燃料電池システム１と外部負荷及び系統電力システム３とを解列し、更に、一旦、第１電磁弁３３を閉じるとともに燃料ポンプ３７の作動を停止し、同様に、改質水ポンプ３９及び空気ポンプ３１の作動も停止する処理である。

続くステップ１７０では、改質水の流量が異常（所定以下の非常に少ない流量又は流量０）であるので、改質水の流量を回復するための復帰動作処理を行う。なお、復帰動作処理については、後に詳述する。

続くステップ１８０では、前記復帰動作処理によって改質水の流量が正常に復帰したか否か、即ち、改質水の流量の異常が検出されてから所定の時間（例えば４５秒）の期間にて、流量が正常に復帰した状態（正常な運転が可能な状態）となったか否かを判定する。

具体的には、改質水の水量の異常を示すフラグ（後述する流量異常フラグ）がオン（１）かオフ（０）かに基づいて、フラグがオフの場合には、正常な運転が可能な状態となったと判定し、オンの場合には、正常な運転が可能な状態となっていないと判定する。ここで、正常な運転が可能な状態と判定されるとステップ１９０に進む。一方、正常な運転が可能な状態ではないと判定されるとステップ２００に進む。

ステップ２００では、改質水の流量の異常が回復せず、燃料電池システム１の正常な運転が可能な状態ではないので、燃料電池システム１の運転を停止する処理（流量異常の停止処理）を行って、一旦本処理を終了する。

ここで、流量異常の停止処理とは、第２電磁弁５１を閉じた状態で、混合気ポンプ４９を作動させることによって、起動バーナー１９から燃料電池スタック１１の周囲に外気（空気のみ：冷気）を供給して、燃料電池スタック１１の温度を低下させる処理である。

そして、燃料電池スタック１１の温度が十分に（例えば４００℃以下に）低下してから、混合気ポンプ４９を停止させる。
また、この流量異常の停止処理の際にも、上述した降温処理を行うことが望ましい。

一方、ステップ１９０では、改質水の流量の異常が回復し、燃料電池システム１の正常な運転が可能な状態であるので、燃料電池システム１の運転を再開する処理、即ち、発電を再開する処理（発電再開処理）を行う。

ここで、発電再開処理とは、通常の発電時と同様に、第１電磁弁３３を開いた状態で、燃料ポンプ３７を作動させるとともに、改質水ポンプ３９及び空気ポンプ３１の作動も作動させる処理である。

続くステップ２１０では、燃料電池システム１に、重異常が発生したか否かを判定する。ここで、重異常が発生したと判定されるとステップ２２０に進み、一方、重異常が発生していないと判定されると一旦本処理を終了する。

ここで、重異常とは、重異常に該当する事象の発生後に、そのまま燃料電池システム１の運転を継続すると、燃料電池システム１に大きな劣化が発生したり、有害ガス等が発生するなどの大きな問題が生ずるような異常を示している。

なお、重異常としては、燃料電池スタック１１の電流や電圧が極度に（所定値以下に）低下した異常、燃料ポンプ３７の異常、燃料用流量センサ３５の異常、空気用流量センサ２９の異常、不完全燃焼、可燃ガス（燃料ガス）漏れ等の各種の重異常が挙げられる。

ステップ２２０では、重異常が発生したので、重異常の発生に対応した停止処理（重異常の停止処理）を行って、一旦本処理を終了する。
ここで、重異常の停止処理とは、重異常が発生した場合に、燃料電池システム１と外部負荷及び系統電力システム３とを解列するとともに、下記の表２に示す所定の手順に沿って、段階を追って燃料電池システム１の稼働を停止する処理である。

具体的には、第１段階では、第１電磁弁３３を閉じるとともに燃料ポンプ３７の作動を停止する。一方、改質水ポンプ３９及び空気ポンプ３１の作動を継続する。また、第２電磁弁５１は閉鎖して混合気ポンプ４９の作動は停止した状態とする。これによって、燃料ガスが燃料電池スタック１１から排出（パージ）される。

そして、所定の時間の経過後（例えば３０秒後）、第２段階に移行する。
続く第２段階では、第１電磁弁３３を閉じるとともに燃料ポンプ３７の作動を停止する。同様に、改質水ポンプ３９及び空気ポンプ３１の作動を停止する。一方、第２電磁弁５１は閉鎖して混合気ポンプ４９の作動を行う。これによって、起動バーナー１９から空気のみが供給されるので、燃料電池スタック１１が冷却される。

そして、燃料電池スタック１１の温度が十分に（例えば４００℃以下に）低下してから、混合気ポンプ４９を停止させる。
なお、この重異常の停止処理の際にも、上述した降温処理を行うことが望ましい。

＜改質水の流量を復帰させる場合の処理＞
ここでは、前記図３のステップ１７０における改質水の流量を復帰させる場合の処理（復帰動作処理）について、図４及び表３に基づいて詳細に説明する。

図４のフローチャート及び表３に示すように、ステップ３００で、改質水流量の異常を検知（改質水流量異常検知）すると、この改質水流量の異常の検知からの経過時間のカウントを開始する。
なお、ステップ３００で、改質水流量の異常が検知された場合には、そのことを示すために、（改質水の流量の異常を示す）流量異常フラグをセットする。即ちオン（ＯＮ）に設定する（例えば１に設定する）。

ここで、経過時間が５秒未満までは、ステップ３１０に進み、５秒以上１０秒未満では、ステップ３２０に進み、１０秒以上１５秒未満では、ステップ３３０に進む。
なお、補機とは、燃料電池システム１の運転に必要な例えば各種のポンプ３１、３７、３９、４９等のような補助装置である。

つまり、ステップ３１０において、改質水流量の異常の検知からの経過時間が５秒未満までは、改質水流量の異常（流量異常）の発電停止処理として、外部負荷及び系統からの解列を行い、第１電磁弁３３を閉鎖して燃料ポンプ３７を停止し、空気ポンプ３１及び改質水ポンプ３９を停止する。その後、ステップ３２０に進む。

ステップ３２０において、前記経過時間が５秒以上１０秒未満では、第１電磁弁３３を閉鎖して燃料ポンプ３７を停止し、空気ポンプ３１を停止する。また、改質水ポンプ３９（即ちステッピングモータ）を逆回転して、改質水を回復させるための復帰動作を行う。これによって、改質水ポンプ３９に噛み込んだゴミ等を除去する。その後、ステップ３３０に進む。

ステップ３３０において、前記経過時間が１０秒以上１５秒未満では、第１電磁弁３３を閉鎖して燃料ポンプ３７を停止し、空気ポンプ３１を停止する。一方、改質水ポンプ３９（即ちステッピングモータ）を正回転する。これによって、改質水ポンプ３９から除去されたゴミ等が、改質水によって洗い流される。その後、ステップ３５０に進む。

ステップ３４０において、前記経過時間が１５秒以上４５秒未満では、改質水の流量が回復（復帰）したか否かを判定する。具体的には、改質水用流量センサ４１からの信号に基づいて、改質水の流量が所定以上（例えば０．１ｍｌ／ｍｉｎより大きい値）に復帰したか否か、即ち、改質水の流量が正常になったか否かを判定する。ここで、改質水の流量が復帰したと判定されるとステップ３５０に進み、一方、改質水の流量が復帰していない
と判定されるとステップ３６０に進む。

ステップ３５０では、改質水の流量が復帰したので、そのことを示すために、（改質水の流量の異常を示す）流量異常フラグをリセットする。即ちオフ（ＯＦＦ）に設定する（例えば０に設定する）。

続くステップ３７０では、改質水の流量が復帰したので、通常の運転動作を再開する。具体的には、第１電磁弁３３を開いて燃料ポンプ３７を作動し、空気ポンプ３１を作動する。それとともに、改質水ポンプ３９の動作（正回転）を継続する。その後、ステップ３８０に進む。

ステップ３８０では、改質水の異常の検知前（異常検知前）の状態に復帰する。
一方、ステップ３６０では、改質水の流量が復帰していないので（即ち改質水流量エラーであるので）、前記ステップ３００でセットされた流量異常フラグの設定を継続する。

また、改質水の流量が復帰していないので、前記ステップ３１０にて実施された流量異常の発電停止の状態から重異常の停止の状態に移行する。
具体的には、ステップ３９０において、第１電磁弁３３を閉じて燃料ポンプ３７の作動を停止した状態で、第２電磁弁５１を閉じて混合気ポンプ４９の作動を停止する。また、空気ポンプ３１の作動を開始し、改質水ポンプ３９の動作（正回転）は継続する。

そして、所定の時間の経過後（例えば３０秒後）、ステップ４００に移行する。
続くステップ４００では、第１電磁弁３３を閉じるとともに、燃料ポンプ３７の作動を停止する。同様に、改質水ポンプ３９及び空気ポンプ３１の動作を停止する。一方、第２電磁弁５１は閉鎖して、混合気ポンプ４９の作動を行う。これによって、起動バーナー１９からの空気のみが供給されるので、燃料電池スタック１１が冷却される。

ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、改質水用流量センサ４１の信号に基づいて、改質水の流量の異常を判定し、改質水の流量に異常があると判定された場合には、改質水ポンプ３９のポンプモータ（ステッピングモータ）を所定期間逆回転させ、その後正回転させることによって、改質水の流量を復帰させている。

つまり、本実施例では、改質水の流量に異常がある場合には、従来のように、単に燃料ガス等の供給を停止して、そのまま燃料電池システム１を緊急停止させる状態を維持するのではなく、改質水ポンプ３９のポンプモータを逆回転させて、改質水ポンプ３９に噛み込んだゴミ等を除去する制御を行っている。

これによって、改質水が正常に供給されるようになった場合には、緊急停止を維持する必要がないので、燃料電池システム１の動作を緊急停止から速やかに復帰（再稼働）させることができる。これにより、緊急停止状態を維持した場合に生ずる恐れのある電極の劣化を抑制できるので、燃料電池スタック１１の劣化を抑制して耐久性を向上させることができる。

また、本実施例では、改質水の流量に異常があると判定された場合には、燃料ポンプ３７と空気ポンプ３１の動作を停止して、燃料ガスと空気との供給を停止するので、改質水が供給されない状態で燃料ガスや空気の供給が継続されることがない。これにより、例えば燃料ガスと改質水との混合比の変化によるカーボンの析出を防止することができる。

更に、本実施例では、改質水用流量センサ４１の信号に基づいて、上述した復帰動作に
よって改質水の流量の異常が解消されたか否かを判定することができる。従って、この判定結果に基づいて、その後の燃料電池システム１の動作を好適に制御することができる。

しかも、本実施例では、改質水の流量の異常が解消されたと判定された場合には、燃料ポンプ３７と空気ポンプ３１の動作を再開するので、速やかに、通常の発電を再開することができる。

つまり、燃料電池システム１を緊急停止させた状態から速やかに復帰（再稼働）することができるので、上述した電極の劣化を抑制して、燃料電池スタック１１の劣化を抑制して耐久性を向上させることができる。

その上、本実施例では、上述した改質水の復帰動作を行っても、改質水の流量の異常が解消されていないと判定されたときには、燃料ガスと空気の供給停止の動作を継続するとともに、起動バーナー１９に空気を供給して燃料電池スタック１１を冷却している。

これにより、速やかに燃料電池スタック１１の温度を下げることができるので、高温の状態で燃料ガスや空気が電極に接触することによる燃料電池スタック１１の劣化を抑制することができる。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に限らず、改質水を供給して原燃料を供給する各種の燃料電池、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池等に適用できる。

（２）また、改質水の流量状態を検出するための手段として、流量センサではなく、改質水流量がゼロかゼロ以外かを検出するフロースイッチや圧力センサを採用してもよい。
（３）さらには、改質水ポンプの起動は、発電開始前の段階から行ってもよい。

（４）また、本発明の改質水供給手段の動作を正常な状態に復帰させる復帰動作は、発電開始時（始動時）だけではなく、発電開始以降、つまり、発電中も改質水の流量の異常が検出された場合に行われることは言うまでもない。

１…燃料電池システム
３…系統電力システム
１１…燃料電池スタック
１３…温度センサ
１５…気化器
１７…改質器
２９…空気用流量センサ
３１…空気ポンプ
３３…第１電磁弁
３５…燃料用流量センサ
３７…燃料ポンプ
３９…改質水ポンプ
４１…改質水用流量センサ
４９…混合気ポンプ
５１…第２電磁弁
５５…電力変換装置（パワーコンディショナー）
６３…コントローラー

Claims (10)

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、
   前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、
   原燃料を改質水を用いて前記燃料ガスに改質する改質器と、
   前記改質器に前記改質水を供給する改質水供給手段と、
   前記改質水の流量の状態を検出する流量状態検出手段と、
   を備えた燃料電池システムの動作を制御する燃料電池システムの制御装置において、
   前記流量状態検出手段の信号に基づいて、前記改質水の流量の異常を判定する異常判定手段と、
   前記異常判定手段によって前記改質水の流量に異常があると判定された場合には、前記改質水供給手段の動作を正常な状態に復帰させる復帰手段と、
   を備え、
   前記改質水供給手段は、前記改質水を供給するポンプを駆動するモータを備えており、
   前記復帰手段は、前記モータを逆回転させる制御手段であり、
   前記異常判定手段によって前記改質水の流量に異常があると判定された場合には、外部負荷及び系統電力システムからの解列を行い、且つ、前記燃料供給手段と前記酸化剤供給手段と前記改質水供給手段との動作を停止することによって、発電の停止処理を行い、
   前記発電の停止処理を実施した後に、前記復帰手段によって、前記モータを逆回転させることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 前記流量状態検出手段の信号に基づいて、前記復帰手段によって前記改質水の流量の異常が解消されたか否かを判定する復帰判定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
3. 前記復帰判定手段によって前記改質水の流量の異常が解消されたと判定された場合には、前記燃料供給手段と前記酸化剤供給手段との動作を再開する動作再開手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記燃料電池システムが、前記燃料電池の起動時に該燃料電池を加熱する起動バーナーを備えている場合に、
   前記復帰判定手段によって前記改質水の流量の異常が解消されていないと判定されたときには、前記動作停止手段による動作を継続するとともに、前記起動バーナーに前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 前記発電の停止処理を実施した後に、前記復帰手段を実施する時間に達した場合には、前記モータを逆回転させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 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、
   前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、
   原燃料を改質水を用いて前記燃料ガスに改質する改質器と、
   前記改質器に前記改質水を供給する改質水供給手段と、
   前記改質水の流量の状態を検出する流量状態検出手段と、
   を備えた燃料電池システムの動作を制御する燃料電池システムの制御方法において、
   前記流量状態検出手段の信号に基づいて、前記改質水の流量の異常を判定し、前記改質水の流量に異常があると判定された場合には、前記改質水供給手段の動作を正常な状態に復帰させる復帰動作を行う工程を有し、
   前記改質水供給手段は、前記改質水を供給するポンプを駆動するモータを備えており、
   前記改質水の流量に異常があると判定された場合には、外部負荷及び系統電力システムからの解列を行い、且つ、前記燃料供給手段と前記酸化剤供給手段と前記改質水供給手段との動作を停止することによって、発電の停止処理を行い、
   前記発電の停止処理を実施した後に、前記モータを逆回転させる復帰動作を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 前記流量状態検出手段の信号に基づいて、前記改質水の流量の異常が解消されたか否かを判定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
8. 前記改質水の流量の異常が解消されたと判定された場合には、前記燃料供給手段と前記酸化剤供給手段との動作を再開することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。
9. 前記燃料電池システムが、前記燃料電池の起動時に該燃料電池を加熱する起動バーナーを備えている場合に、
   前記改質水の流量の異常が解消されていないと判定されたときには、前記動作停止手段による動作を継続するとともに、前記起動バーナーに前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を冷却することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。
10. 前記発電の停止処理を実施した後に、前記復帰動作を実施する時間に達した場合には、前記モータを逆回転させることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。