(57)【要約】【課題】  燃料電池発電システムの異常原因を的確に判定し、異常原因に対応させて適切に異常を解消する。【解決手段】  燃料電池の電圧低下が全体のセルの電圧低下の場合（Ｓ３）、アノードガス流量に相関する物理量が設定値未満のとき（Ｓ４）、燃料電池の電圧低下は水素量不足が原因であると判断し（Ｓ５）、アノードガス流量に相関する物理量が設定値以上のときは（Ｓ４）、アノードガス温度が設定値未満のとき改質ガスの加湿不足が原因であると判断し（Ｓ８、Ｓ９）、アノードガス温度が設定値以上のときはＣＯ被毒が原因であると判断し（Ｓ８、Ｓ１２）、いずれの原因の場合も燃料電池の負荷電流を減少させるとともに（Ｓ６〜Ｓ１３）、各原因に対応させて改質ガスの水素量を増加させる指令（Ｓ７）、アノードガス温度を上昇させる指令（Ｓ１１）、あるいは改質ガスのＣＯ濃度を低減させる指令（Ｓ１４）を出力する。【選択図】  図２
2006310109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型のセルを複数積層してなる燃料電池と、該燃料電池のアノードに水素を含む改質ガスを供給する水素製造装置と、前記燃料電池のカソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給する供給装置と、前記燃料電池の電圧低下発生時の異常原因判定手段を有する制御装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記異常原因判定手段は、前記燃料電池の電圧低下が全体のセルの電圧低下であり、前記アノードガス流量に相関する物理量が設定値未満のとき、前記燃料電池の電圧低下は水素量不足が原因であると判断する水素量異常判定手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記燃料電池の電圧低下が水素不足が原因のとき、前記燃料電池の負荷電流を減少させるとともに、前記水素製造装置に前記改質ガスの水素量を増加させる指令を出力することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記アノードに供給される水素量が設定値に増加したとき、前記燃料電池の負荷電流を元の値に復帰させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
固体高分子型のセルを複数積層してなる燃料電池と、該燃料電池のアノードに水素を含む改質ガスを供給する水素製造装置と、前記燃料電池のカソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給する供給装置と、前記燃料電池の電圧低下発生時の異常原因判定手段を有する制御装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記異常原因判定手段は、前記燃料電池の電圧低下が全体のセルの電圧低下で、前記アノードガス流量に相関する物理量が設定値以上で、前記アノードガス温度が設定値未満のとき、前記燃料電池の電圧低下は前記改質ガスの加湿不足が原因であると判断する加湿異常判定手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記燃料電池の電圧低下が加湿不足が原因のとき、前記燃料電池の負荷電流を減少させるとともに、前記水素製造装置に前記改質ガスの温度を昇温させる指令を出力することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記アノードガス温度が設定値に回復したとき、前記燃料電池の負荷電流を元の値に復帰させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
固体高分子型のセルを複数積層してなる燃料電池と、該燃料電池のアノードに水素を含む改質ガスを供給する水素製造装置と、前記燃料電池のカソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給する供給装置と、前記燃料電池の電圧低下発生時の異常原因判定手段を有する制御装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記異常原因判定手段は、前記燃料電池の電圧低下が全体のセルの電圧低下で、前記アノードガス流量に相関する物理量が設定値以上で、前記アノードガス温度が設定値以上のとき、前記燃料電池の電圧低下はＣＯ被毒が原因であると判断するＣＯ被毒判定手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記燃料電池の電圧低下がＣＯ被毒が原因のとき、前記燃料電池の負荷電流を減少させるとともに、前記水素製造装置にＣＯ濃度を減少させる指令を出力することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記制御装置は、前記ＣＯ濃度が設定値に減少したとき、前記燃料電池の負荷電流を元の値に復帰させることを特徴とする請求項８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、水素製造装置と燃料電池とを備えてなる燃料電池発電システムに係り、具体的には、固体高分子型の燃料電池の電圧変動を抑制して燃料電池発電システムを安定に運転する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、総合効率が高いことから、省エネルギーが可能となる家庭用コ−ジェネレーションシステムの一つとして、一般家庭向けの小規模な固体高分子型の燃料電池発電システムが提案されている。このような家庭向けの燃料電池発電システムでは、例えば、発電電力を電力会社の電力系統に連結して供給する一方、発電に伴い発生する熱により湯を生成して給湯することが検討されている。家庭向けの燃料電池発電システムを普及させるには、システム全体の性能向上、小型軽量化、量産化、低コスト化することに加えて、できるだけ保守や点検を不要にして、安定な運転を継続できるシステムが要望される。
【０００３】
一般に、燃料電池発電システムの安定な運転を妨げるような異常は、燃料電池の電圧低下として現れるから、燃料電池の電圧低下に基づいて燃料電池発電システムの異常を検知して対応することが考えられる。例えば、特許文献１には、燃料電池の電圧低下が燃料電池の一部のセルの電圧低下に起因する場合は、それらの一部のセルがフラッディング（水詰まり）を起こしていると判定し、燃料電池内にガスをパージして詰まった水を排出させることが提案されている。また、特許文献２には、燃料電池の電圧変化の時間微分値をとり、その絶対値が大きければフラッディングと判定し、ガス供給量を増やしたり、冷却水流量を減らしてガス温度を上昇させてフラッディングを解消させることが提案されている。なお、フラッディングを解消するガスパージ方法は、ガス流量及びガス圧力を増加させたり、燃料電池の負荷を絞って燃料電池における水素消費量を抑えて流通ガス量を増加させることよる（特許文献３）。
【０００４】
一方、特許文献４には、燃料電池の電圧低下の原因として、燃料電池の電極等が一酸化炭素（ＣＯ）によって被毒されることが挙げられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０３１２４２号公報
【特許文献２】特開２００１−１４８２５３号公報
【特許文献３】特開２００３−２１７６２２号公報
【特許文献４】特開２０００−４８８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、水素製造装置と燃料電池とを備えてなる燃料電池発電システムにおける電池電圧の低下等の異常は、フラッディングやＣＯ被毒に限らず、種々の原因が考えられるが、従来技術である特許文献１〜４では、異常原因を総合的に判定することについては配慮されていない。例えば、固体高分子型燃料電池スタックのアノードに水素製造装置から燃料である改質ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電を行なう燃料電池発電システムでは、電圧低下の原因は燃料電池スタックではなく、水素製造装置の系統にあることが多い。そのため、異常を解消して燃料電池発電システムを安定して運転制御するためには、発電という事象の発生元である燃料電池スタックの挙動を判断材料として異常の原因を判定して、水素製造装置の挙動を制御して異常を解消することが必要となる。特に、異常原因に対応させて適切な対策を施して、水素製造装置と燃料電池の両者が安定に運転を継続できるように、燃料電池発電システムを構築する必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料電池発電システムの異常原因を的確に判定することを課題とする。
【０００８】
また、本発明は、異常原因に対応させて適切に異常を解消することができ、水素製造装置と燃料電池の両者の運転を安定して継続できるようにすることを他の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、固体高分子型のセルを複数積層してなる燃料電池と、該燃料電池のアノードに水素を含む改質ガスを供給する水素製造装置と、前記燃料電池のカソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給する供給装置と、前記燃料電池の電圧低下発生時の異常原因判定手段を有する制御装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記異常原因判定手段は、前記燃料電池の電圧低下が全体のセルの電圧低下であり、前記アノードガス流量に相関する物理量が設定値未満のとき、前記燃料電池の電圧低下は水素量不足が原因であると判断する水素量異常判定手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
すなわち、燃料電池の電圧低下が一部のセルの電圧低下に起因する場合は、フラッディングが原因である。しかし、全体的にセルの電圧が低下している場合は、フラッディング以外の原因によるものであるが、その原因は、水素量不足、改質ガスの加湿不足、あるいは燃料電池のＣＯ被毒によることが考えられるので、それらの原因を区別する必要がある。
【００１１】
そこで、水素量の不足が原因のときは、アノードガス流量に相関する物理量（例えば、入口ガス圧力）が低下しているはずであるから、アノードガス流量に相関する物理量と設定値とを比較し、設定値未満のときに、水素量の不足が原因と判定することができる。そして、水素不足が原因と判定したときは、燃料電池の負荷電流を減少させるとともに、水素製造装置に改質ガスの水素量を増加させる指令を出力する。ここで、負荷電流を減少させる理由は、水素不足により電圧低下が発生したにもかかわらず負荷電流をそのときの値に維持しようとすると、燃料電池の電極や電解質膜を劣化させるおそれがあるからである。また、負荷電流の減少量は、予め設定された設定量（例えば、２Ａ）とする。改質ガスの水素量を増加させる指令は、例えば、改質器の改質触媒温度を調節する指令とすることができる。具体的には、改質器への投入空気量又は投入水分量、あるいは改質器の冷却水量を調節する指令によることができる。
【００１２】
このようにして、アノードに供給される水素量が設定値に増加したとき、燃料電池の負荷電流を元の値に復帰させる。これにより、燃料電池システムの異常状態を解消して、運転を安定に継続させることができる。
【００１３】
一方、燃料電池の電圧低下が全体のセルの電圧低下で、アノードガス流量に相関する物理量が設定値以上の場合は、水素量不足が原因ではない。この場合は、アノードガス温度を検出し、その検出温度が設定値未満のとき、燃料電池の電圧低下は改質ガスの加湿不足が原因であると判断することができる。また、燃料電池の電圧低下が加湿不足が原因のときは、燃料電池の負荷電流を減少させるとともに、水素製造装置に改質ガスの温度を昇温させる指令を出力することにより、加湿不足を解消する。
【００１４】
ここで、負荷電流を減少させるのは、上記の水素不足の場合と同様の理由である。また、改質ガスの温度を昇温させる指令は、燃料電池あるいは改質ガスの管路にヒータが設けられている場合は、そのヒータをオンする指令とすることができる。又は、これに代えて、あるいはこれと共に、水素製造装置と燃料電池との間に設けられた熱交換器の熱回収量を低減する指令とすることができる。このようにして、アノード入口のガス温度が設定値に回復したとき、燃料電池の負荷電流を元の値に復帰させる。これにより、燃料電池システムの異常状態を解消して、運転を安定に継続させることができる。
【００１５】
さらに、燃料電池の電圧低下が全体のセルの電圧低下で、アノードガス流量に相関する物理量が設定値以上で、かつ、アノードガス温度が設定値以上のときは、燃料電池の電圧低下はＣＯ被毒が原因であると判断することができる。そして、燃料電池の電圧低下がＣＯ被毒が原因のときは、燃料電池の負荷電流を減少させるとともに、水素製造装置にＣＯ濃度を減少させる指令を出力することにより、ＣＯ被毒を解消することができる。
【００１６】
ここで、負荷電流を減少させるのは、上記の水素不足の場合と同様の理由によるが、さらに、水素の消費量を減らして燃料電池内のガス流速を上げることにより、内部に付着しているＣＯをパージするためである。また、ＣＯ濃度を減少させる指令は、水素製造装置のＣＯシフト触媒温度及び／又はＣＯ選択酸化触媒温度を、改質ガス中のＣＯ濃度が減少する方向に調節する指令とする。このようにして、改質ガス中のＣＯ濃度が設定値に減少したとき、燃料電池の負荷電流を元の値に復帰させる。これにより、燃料電池システムの異常状態を解消して、運転を安定に継続させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池発電システムの異常原因を的確に判定することができる。
【００１８】
また、異常原因に対応させて適切に異常を解消することができ、水素製造装置と燃料電池の両者の運転を安定して継続できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の燃料電池発電システムを実施形態に基づいて説明する。
【００２０】
図１に、本発明の燃料電池発電システムの全体構成を示す。燃料電池１は、複数のセル（例えば、８０セル）を積層した燃料電池スタックとして構成されている。各セルは、固体高分子型の電解膜を挟んでアノードとカソードが設けられ、それらの各セルは直列に接続されている。各セルのアノードとカソードは、それぞれ水素リッチな改質ガスが供給されるアノード室と、酸素を含んだ空気が供給されるカソード室に連通されている。
【００２１】
水素製造装置２は、炭化水素、アルコール類、エーテル類などの水素を含有する燃料と、酸素又は空気と、水又は水蒸気を原料として水素リッチな改質ガスを製造するものであり、図示していないが、周知のとおり、改質反応器と、改質ガス中のＣＯを除去するＣＯ変成器、及びＣＯ選択酸化器を有して構成されている。また、改質反応器内には、改質触媒層と、この改質触媒層の上流側に改質反応の吸熱反応の熱を補うための部分燃焼用の燃焼触媒層が設けられている。ＣＯ変成器は改質反応器で生成された改質ガス中のＣＯを除去するＣＯシフト触媒層が設けられ、ＣＯ選択酸化器はＣＯ変成器から排出される改質ガス中の微量のＣＯを酸化する選択酸化触媒層が設けられている。そして、ＣＯ選択酸化器から排出される改質ガスが燃料配管３を介して燃料電池１のアノードガス入口１ａに供給されるようになっている。アノードガス入口部には、改質ガスの圧力を計測するアノードガス入口圧力計測器４と、改質ガスの温度を計測するアノードガス入口温度計測器５が設けられている。
【００２２】
一方、燃料電池１のカソード室に設けられたカソードガス入口１ｂには、ブロワ６から酸化剤ガスとして例えば空気が供給されるようになっている。燃料電池１のアノードとカソードはインバータ７に接続され、インバータ７は燃料電池１で発電された直流電力を所定の交流に変換して負荷８に供給するようになっている。燃料電池１の発電反応に寄与した改質ガスの排ガスは、アノード排ガスとしてアノード排ガス管９から排出される。また、燃料電池１発電反応に寄与した空気の排気は、カソード排ガスとしてカソード排ガス管１０から排出される。また、燃料電池１には、燃料電池１を昇温又は冷却するための循環水が、水循環装置１１から流通されるようになっている。循環水の温度は、循環水ヒータ１２により調整可能になっている。さらに、燃料電池１には、セル単位又は複数セルのグループ単位で発電電圧を計測するセル電圧計測器１３が設けられている。インバータ７には、負荷電流を計測する負荷電流計測器１４が設けられている。
【００２３】
制御装置１５は、水素製造装置２、ブロワ６、インバータ７、水循環装置１１、循環水ヒータ１２などを制御することにより、燃料電池システムの全体を制御するようになっている。特に、本実施形態では、アノードガス入口圧力計測器４、アノードガス入口温度計測器５、セル電圧計測器１３、負荷電流計測器１４などから入力される計測値に基づいて、燃料電池システムの異常を検出して、その異常を解消する制御を行うようになっている。
【００２４】
ここで、図１のように構成される燃料電池システムの動作概要を説明する。水素製造装置２から所定の温度及び湿度に調整された水素リッチな改質ガスをアノードガス入口１aへ供給するとともに、ブロワ６から空気をカソードガス入口１bへ供給する。これにより、燃料電池１にて電気化学反応による発電が起こり、発電電力はインバータ７を介して負荷８に供給される。燃料電池１内の温度は、燃料電池１の循環水出口に設けられた冷却水温度計測器１６により計測されて制御装置１５に入力される。制御装置１５は、冷却水温度計測器１６の計測温度を設定温度に保持するように、水循環装置９より循環させる循環水の量及び温度を制御する。また、循環水ヒータ１２により循環冷却水の温度を制御する。また、制御装置１５は、基本的に、燃料電池１の発電電力を所定値（例えば、定格値）に保持するように、水素製造装置２、ブロワ６、インバータ７、水循環装置１１、循環水ヒータ１２など、燃料電池システムの全体を制御する。
【００２５】
次に、本発明の特徴である燃料電池発電システムの異常原因を的確に判定する異常原因判定手段、及び異常原因に対応させて適切に異常を解消する各手段に係る制御装置１５の詳細構成を動作とともに説明する。図２に、異常原因判定及び異常を解消する制御手順の一実施形態のフローチャートを示す。
【００２６】
図２に示すように、制御装置１５は、アノードガス入口圧力計測器４、アノードガス入口温度計測器５、セル電圧計測器１３、負荷電流計測器１４などの測定値を読み込む（Ｓ１）。次いで、セル電圧計測器１３の測定値に基づいて、燃料電池１のセル電圧が基準範囲よりも低下しているか否かを判定する（Ｓ２）。この判定は、複数セル全体の合計電圧である燃料電池１の発電出力電圧により判断することができる。発電出力電圧（もしくは、各セルの電圧）が基準範囲内であれば、異常無しと判定してステップＳ１に戻って、図２のフローチャートの処理を繰り返す。一方、発電出力電圧が基準範囲よりも低下している場合は、ステップＳ３に進んで、セル電圧低下の原因がフラッディングによるものか、フラッディング以外の事象によるものかを判別する。ここで、セル電圧計測器１３の詳細構成を図３に示す。図示のように、セル電圧計測器１３は、各セル２０のアノード２１とカソード２２に接続された端子を有し、各セル単位で電圧を計測するとともに、セルスタック全体の電圧（発電出力電圧）を計測可能に構成されている。また、直列接続されたセル２０の両端のアノードとカソードがインバータ７の入力端に接続されている。
【００２７】
ここで、参考までに、図４に、各セルの電流値（Ａ）と平均電圧の特性を示す。図示のように、電流が増加するにつれてセル電圧が緩やかに減少する特性を有している。図中、線２５は正常な場合のセルの平均電圧（初期値）、線２６は何らかの原因により電圧低下を判定する低下判定値（基準セル電圧）、線２７は発電を停止させる停止判定値を示している。また、セルの平均電圧とは、燃料電池１の発電電圧をセル数で割った値である。
【００２８】
（フラッディングが原因の場合）
フラッディングによるセル電圧の低下は、通常、図５に示すように、経過時間とともに一部のセルの電圧低下として現れる。また、フラッディング以外の場合は、図６に示すように、経過時間とともに全てのセル電圧が不安定に低下する。そこで、ステップＳ３の判別で、一部のセルの電圧と基準セル電圧との差が許容範囲よりも低下しているセルの個数が全体に占める割合を調べ、一部のセル電圧が低下している場合は、フラッディングによる流路閉塞が電圧低下の原因であると判定する。一方、複数のセルの電圧が全体的に低下している場合は、電圧低下の原因がフラッディング以外によるものであると判定する。なお、セル電圧の低下は、個々のセル電圧について判定してもよいが、複数のセルからなるグループもしくはブロック単位で判定することもできる。
【００２９】
電圧低下の原因がフラッディングによる場合は、ステップＳ１５でその旨出力した後、インバータ７に負荷電流を設定量（例えば、２Ａ）減少させる指令を出力した後（Ｓ１６）、燃料電池１の冷却水（循環水）温度を設定温度上昇させる指令を水循環装置１１の循環水ヒータ１２に出力する。ここで、負荷電流を減少させる理由は、燃料電池１の電極及び電解質膜の劣化を防止することと、電極反応を減少させて水の生成量を減らすとともに、ガスの流通量を増加させて詰まった水をパージするためである。また、冷却水温度を上昇させる理由は、凝縮水の量を減らすためである。このようにして、水素製造装置２の運転条件、つまり冷却水温度が設定値まで上昇するまで、その制御を維持する（Ｓ１８、Ｓ１９）。そして、冷却水温度計測器１６により計測され冷却水温度が設定値まで上昇したことを確認して（Ｓ１８）、負荷電流を元の値（所定値）に増加させて元の制御に戻す。これにより、燃料電池システムの異常状態を解消して、運転を安定に継続させることができる。
【００３０】
（水素量減少が原因の場合）
ステップＳ３における判別の結果、電圧低下がフラッディング以外の原因と判断された場合、アノードガス入口圧力が設定値よりも低下しているか否かを判定し（Ｓ４）、低下している場合は水素量の減少が原因と判定して、その旨出力する（Ｓ５）。そして、インバータ７に負荷電流を設定量（例えば、２Ａ）減少させる指令を出力した後（Ｓ６）、水素製造装置２に水素量の増加指令を出力する。ここで、負荷電流を減少させる理由は、水素不足（アノードガス欠乏状態）により電圧低下が発生したにもかかわらず負荷電流をそのときの値に維持しようとすると、燃料電池の電極や電解質膜を劣化させるおそれがあるからである。水素量を増加させる指令は、例えば、改質器の改質触媒温度を調節する指令、具体的には、改質器への投入空気量又は投入水分量、あるいは改質器の冷却水量を調節する指令による。このようにして、水素製造装置２の運転条件が指令に応じた値に上昇し、アノードガス入口圧力が設定値に回復するまで、その制御を維持する（Ｓ１８、Ｓ１９）。そして、アノードガス入口圧力が設定値に回復したことを確認して（Ｓ１８）、負荷電流を元の値（所定値）に増加させて元の制御に戻す。これにより、燃料電池システムの異常状態を解消して、運転を安定に継続させることができる。
【００３１】
（改質ガスの加湿不足が原因の場合）
ステップＳ４の判定において、アノードガス入口ガス圧力が設定値以下でない場合、水素量減少が電圧低下の原因ではないから、ステップＳ８に進んで、アノードガス入口温度が設定値よりも低いか否かを判断する。そして、アノードガス入口温度が設定値よりも低い場合は、改質ガスの加湿不足であると判断して、その旨を出力する（Ｓ９）。そして、インバータ７に負荷電流を設定量（例えば、２Ａ）減少させる指令を出力した後（Ｓ１０）、水素製造装置２に改質ガスであるアノードガス入口温度の上昇指令を出力して（Ｓ１１）、アノード露点を上昇させる。ここで、負荷電流を減少させる理由は、加湿不足によるガス透過不足を抑制することが目的であり、また燃料電池の電極や電解質膜を劣化させるのを防止するためである。改質ガスの温度を昇温させる指令は、燃料電池１あるいは改質ガスの燃料配管３にヒータが設けられている場合は、そのヒータをオンする指令とすることができる。又は、これに代えて、あるいはこれと共に、水素製造装置２と燃料電池１との間に設けられた熱交換器の熱回収量を低減する指令とすることができる。このようにして、アノード入口ガス温度が設定値に回復したとき（Ｓ１８，Ｓ１９）、負荷電流を元の値に復帰させる（Ｓ２０）。これにより、燃料電池システムの異常状態を解消して、運転を安定に継続させることができる。
【００３２】
（ＣＯ被毒が原因の場合）
ステップＳ８の判断において、アノードガス入口温度が設定値より低くないと判断された場合は、電圧低下の原因が加湿不足ではなく、燃料電池１のＣＯ被毒と考えられるから、その旨を出力する（Ｓ１２）。なお、ＣＯ被毒によりセル電圧が低下する場合の改質ガス中のＣＯ濃度に対するセル電圧の時間的変化の例を図７に示す。この電圧変化傾向より、ＣＯモニタを使用せずに改質ガス中のＣＯ濃度の概算値を把握することができる。そして、ステップＳ１３へ進んで、負荷電流を設定量（例えば、２Ａ）減少させる指令をインバータ７に出力するとともに（Ｓ１３）、水素製造装置２に一酸化炭（ＣＯ）濃度を低減する指令を出力する（Ｓ１４）。ここで、負荷電流を低減させる理由は、白金の一次被毒によりアノードにおいて水素の電離能力が低下した状態で発電を行なうことを防止することを目的とする。また、改質ガス中にＣＯが混入したままアノードまで到達すると、アノード中の触媒に一酸化炭素被毒が生じ、水素の電離反応が阻害される。そこで、改質ガス中のＣＯ濃度を減少させて、アノードに一酸化炭素が混入するのを防止して、アノードに既に付着しているＣＯを排出して発電環境を回復する。改質ガス中のＣＯ濃度を減少させるには、ＣＯ選択酸化器への空気注入量を増加させるか、水素製造装置２へ供給される原料ガス供給量を増加させることによることができる。あるいは、ＣＯシフト触媒温度の調節を行い、又はＣＯ選択酸化触媒温度の調節を行なう。なお、通常時のＣＯシフト触媒温度、ＣＯ選択酸化触媒温度は、それぞれ、例えば２５０〜３５０℃、１２０〜１８０℃とすることができる。このように、ステップＳ４、Ｓ８、Ｓ１２の判定により、従来のように高価なＣＯモニタによってＣＯ濃度を計測することなしに、ＣＯ被毒を判断できる。このようにして、ＣＯ濃度が設定値に回復したとき（Ｓ１８，Ｓ１９）、負荷電流を元の値に復帰させる（Ｓ２０）。これにより、燃料電池システムの異常状態を解消して、運転を安定に継続させることができる。
【００３３】
（その他の実施形態）
図２の実施の形態において、電圧低下の原因が上記のいずれの場合であっても、ステップＳ１８の回復判断は、セル電圧計測器１３により計測する発電電圧が基準電圧の許容範囲内に上昇したことにより判断してもよいし、また発電電圧が上昇傾向に移ったことにより判断してもよい。
【００３４】
また、ステップＳ４において、アノードガス入口圧力の低下により電圧低下の原因が水素量減少と判断するのは、燃料電池１に流入する水素リッチな改質ガスの量が少ないことを意味する。したがって、アノードガス入口圧力の低下に代えて、アノードガス流量の低下、あるいはアノードガス流量に相関する物理量であるアノードガス出口圧力の低下、アノードガス入口圧力と出口圧力の差圧の低下により、水素量減少と判断することができる。
【００３５】
さらに、アノード室に供給される水素リッチな改質ガスの量が減少すると、カソード室に供給される空気の酸素消費量が減少するから、カソードガス入口圧力が上昇する。そこで、ステップＳ４の判断対象を、アノードガス入口圧力の低下に代えて、カソードガス流量に相関する物理量であるカソードガス出口圧力又はカソードガスの入口圧力と出口圧力の差圧が増加したした場合に、水素量減少と判断することができる。
【００３６】
また、ステップＳ８において、アノードガス入口温度が設定値より低いか否かにより加湿不足とＣＯ被毒を区別しているが、アノードガス入口温度に代えて、アノードガス入口温度に相関する物理量である燃料電池１内の内部のアノードガス温度が設定許容値より低いか否かにより加湿不足とＣＯ被毒を区別することができる。さらに、燃料電池１内のアノードガス温度とアノードガス入口温度との差をとり、この差が設定許容値（例えば、１５℃）以上である場合に、加湿不足が原因であると判定することができる。
【００３７】
さらに、図２の実施形態では、一部のセルの電圧低下の低下によりフラッディングが起きていると判定した。これに代えて、セル電圧の低下は垂直に近い勾配の場合に、フラッディングが起きたことを判定することができる。すなわち、図８（ａ）に示すように、フラッディングが起きた場合、セル電圧の低下勾配は垂直に近いほどの大きな傾きを示す。一方、フラッディング以外の原因で電圧が低下するときは、図８（ｂ）に示すように、変化の勾配が緩やかに現れる。そこで、セル電圧の低下勾配に基づいて、電圧低下の原因をフラッディングによる場合と、フラッディング以外による場合とを判別することができる。
【００３８】
したがって、図２のステップＳ３の判定において、電圧あるいは電流の低下が垂直に近い場合はフラッディングと判定し、それ以外の場合は、フラッディング以外の原因、つまり、水素量不足、加湿不足、ＣＯ被毒が原因としてステップＳ４〜Ｓ１２の判定を行うようにすることができる。
【００３９】
以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、セル電圧のバラツキから電圧低下が「フラッディングによる流路閉塞」によるものか、「水素量減少」によるものか、「加湿不足」によるものか、「ＣＯ濃度増加」によるものかを判断することにより、燃料電池１の運転状態を悪化させることなく、また高価なCOモニタを用いることなく燃料電池発電システムの安定な運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一実施形態の系統構成図である。
【図２】本発明の特徴に係る異常原因判定及び異常を解消する制御手順の一実施形態のフローチャートである。
【図３】図１のセル電圧計測器の詳細構成を示す図である。
【図４】セルの電流値と平均電圧の特性を示す図である。
【図５】フラッディングによるセル電圧の経過時間に対する低下の特徴を示す図である。
【図６】フラッディング以外の場合のセル電圧の経過時間に対する低下の特徴を示す図である。
【図７】ＣＯ被毒によりセル電圧が低下する場合の改質ガス中のＣＯ濃度に対するセル電圧の時間的変化の例を示す図である。
【図８】フラッディングによるセル電圧の低下勾配は同図（ａ）のように垂直に近いほどの大きな傾きを示し、フラッディング以外の原因で電圧が低下するときは同図（ｂ）のように変化の勾配が緩やかであること示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  燃料電池
２  水素製造装置
４  アノードガス入口圧力計測器
５  アノードガス入口温度計測器
６  ブロワ
７  インバータ
８  負荷
１１  水循環装置
１２  循環水ヒータ
１３  セル電圧計測器
１４  負荷電流計測器
１５  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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