(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ポンプと、前記セルスタックに酸化材を供給するための酸化材ブロアと、前記燃料ポンプ及び前記酸化材ブロアを制御するための制御手段とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記セルスタックの第１の部位間の電圧を検出するための第１電圧検出手段と、前記セルスタックの第２の部位間の電圧を検出するための第２電圧検出手段とを備え、前記制御手段は、前記セルスタックの劣化状態を判定するための劣化判定手段及び運転モードを切り換えるためのモード切換手段を含んでおり、
前記制御手段は、システムの起動時に劣化判定モードの制御を行い、前記劣化判定モードの制御においては、前記第１電圧検出手段は、前記セルスタックの前記第１の部位間の第１開回路電圧を検出し、前記第２電圧検出手段は、前記セルスタックの前記第２の部位間の第２開回路電圧を検出し、前記劣化判定手段は、前記第１及び第２の部位間の前記第１及び第２開回路電圧の電圧差又は電圧比に基づいて前記セルスタックにおけるシール性低下の劣化状態を判定し、
前記劣化判定手段が劣化状態であると判定すると、前記モード切換手段は劣化モードの運転に切り換え、前記劣化モードの運転において、前記制御手段は前記セルスタックにおける燃料利用率が下がるようにシステムを運転制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記セルスタックの三つ以上の部位の各々に対応して電圧検出手段が設けられ、各電圧検出手段は対応する部位間の電圧を検出し、前記制御手段の前記劣化判定手段は、前記電圧検出手段の検出電圧を利用して前記セルスタックにおけるシール性低下の劣化状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化材ガスを反応させて発電するセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、酸素イオンを伝導する固体電解質を間に挟んでその片側に燃料極が配設され、その他側に空気極が配設され、その燃料極側に燃料ガス（水素、一酸化炭素など）が供給され、その酸素極側に酸化材ガス（空気、酸素など）が供給される。固体電解質の材料としては一般的にイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、７００〜１０００℃の高温で、燃料ガスと酸化材ガスとを電気化学反応させて発電が行われる。固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。
【０００３】
一般的に、固体酸化物形燃料電池は作動温度が高いため、発電効率が高いという特徴をもつが、作動温度が高温である故に、固体酸化物形燃料電池のセルスタックの発電性能の劣化が問題となる。セルスタックの発電性能の劣化とは、セルスタックの出力電圧の劣化のことであり、その出力電流と出力電圧との特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」ともいう）上の変化で捉えると、Ｉ−Ｖ特性におけるプロット上の勾配（即ち、内部抵抗の上昇）や、ＩーＶ特性における開回路電圧（ＯＣＶ）（所謂、切片）の低下（即ち、シールド性の低下）に分離することができる。固体酸化物形燃料電池の場合、内部の電気通路を構成する材料の経時的な抵抗上昇が主因であり、具体的には、燃料電池セルの内部や燃料電池セル間を接合する材料が、動作温度と雰囲気においてより熱的に安定な状態に遷移する中で電気的抵抗が上昇すること、またヒートサイクルや酸化、還元の繰返しなどにより電気の通路を横切るような方向で内部クラックが発生して電流通路としての有効面積が減少することなどが挙げられる。これらはいずれも、出力する電流が大きいほど電圧変化として顕著に劣化として捉えることができ、Ｉ−Ｖ特性において勾配の変化として現れる。
【０００４】
また、燃料電池セルの集合体であるセルスタックの場合、セルスタックの一部の局所においてガスシール性などが低下することがあり、このようなときには開回路電圧自体が局所において非常に低いものとなる。このようなときには、出力電流がどの領域でも電圧低下として確認することができる。特に、出力電流がゼロ、若しくは低い電流条件で電圧変化として顕著に劣化していれば、上述の内部抵抗の上昇とは分離して捉えることができ、Ｉ−Ｖ特性において開回路電圧（ＯＣＶ）の低下（所謂、切片の低下）として現れる。
【０００５】
このようなことから、燃料電池システムにおいて、セルスタックの劣化状態を診断する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この劣化診断方法によれば、燃料電池システムの電力変換装置の出力電力を変化させてその入力電流（即ち、セルスタックの出力電流）を変化させ、かく変化させたときのセルスタックの出力電流及び出力電圧を検出する。そして、検出電流及び検出電圧に基づいてセルスタックのＩ−Ｖ特性を推定し、この推定Ｉ−Ｖ特性の傾き及び無負荷時の出力電圧（所謂、推定切片）を求め、この傾き及び推定切片が劣化基準に達すると劣化状態と判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１９５４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した劣化診断方法では、セルスタックの推定Ｉ−Ｖ特性の傾き及び無負荷時の出力電圧（所謂、推定切片）を求めて劣化を診断しているが、セルスタックのガスシール性の低下による劣化を正確に検知することができないという問題がある。例えば、推定Ｉ−Ｖ特性の傾きは、燃料ガスや酸化材ガスの供給量に起因しても変動し、燃料ガス及び酸化材ガスの供給量が不足したときにはこの勾配が上昇する。また、推定Ｉ−Ｖ特性の推定切片は、燃料ガスと改質水との組成比の変動や改質器などの温度変動に起因しても変動する。従って、セルスタックの推定Ｉ−Ｖ特性の傾き及び推定切片を単に求めてもセルスタックの劣化によるものか、燃料ガス、酸化材ガスの供給量に起因するものか、又は燃料ガスと改質水との組成比の変動などに起因するものかを正確に判断するのが難しく、セルスタックの劣化を正確に診断することができない。加えて、セルスタック全体の劣化状態を診断しているために、セルスタックの局部的な劣化状態を診断することができない。
【０００８】
一般に、セルスタックの劣化によってセル電圧が低下した場合、セルスタックの出力電流の制御上限を減らす制御を行うことが有効である。特に、Ｉ−Ｖ特性のプロットの勾配が増加する（内部抵抗が増大する）と、劣化の進行によりその電流値に比例した劣化部位の発熱が増大し、その温度上昇によりさらに劣化が速まることから、これを防止するためには、最大出力の抑制は有効となる。
【０００９】
しかし、出力電流の制限上限を減らす制御では、劣化による出力電圧の低下が発生している上に出力電流を下げること、即ちシステムの最大発電電力を積極的に下げることであり、顧客優先の制御とならない。
【００１０】
一方、セルスタックの劣化のうちガスシール性の低下によるＩ−Ｖ特性の切片（開回路電圧）が低下する場合には、出力電流の制御上限を減らすことよりも、システムの燃料利用率を下げ、余剰の燃料を加えることが有効である。このようにした場合、セルスタックの発電効率は低下するが、このような燃料電池は、排熱を回収利用するコージェネレーションシステムに適用されることが多く、コージェネレーションシステムにおいては余剰燃料ガスは燃焼させて温水として回収するために、発電効率の低下分は熱として回収することができ、その結果、システム全体を考えたときに省エネ性の大きな低下は生じない。従って、ガスシール性の低下を正確に検知することができれば、この劣化にふさわしい延命の措置を行うことができるとともに、システム全体の省エネ性も大きく損なわない措置を行うことができる。
【００１１】
本発明の目的は、ガスシール性によるセルスタックの劣化を正確に検知することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、顧客メリットを優先して発電出力を極力維持しながら長期の寿命を確保することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ポンプと、前記セルスタックに酸化材を供給するための酸化材ブロアと、前記燃料ポンプ及び前記酸化材ブロアを制御するための制御手段とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記セルスタックの第１の部位間の電圧を検出するための第１電圧検出手段と、前記セルスタックの第２の部位間の電圧を検出するための第２電圧検出手段とを備え、前記制御手段は、前記セルスタックの劣化状態を判定するための劣化判定手段及び運転モードを切り換えるためのモード切換手段を含んでおり、
前記制御手段は、システムの起動時に劣化判定モードの制御を行い、前記劣化判定モードの制御においては、前記第１電圧検出手段は、前記セルスタックの前記第１の部位間の第１開回路電圧を検出し、前記第２電圧検出手段は、前記セルスタックの前記第２の部位間の第２開回路電圧を検出し、前記劣化判定手段は、前記第１及び第２の部位間の前記第１及び第２開回路電圧の電圧差又は電圧比に基づいて前記セルスタックにおけるシール性低下の劣化状態を判定し、
前記劣化判定手段が劣化状態であると判定すると、前記モード切換手段は劣化モードの運転に切り換え、前記劣化モードの運転において、前記制御手段は前記セルスタックにおける燃料利用率が下がるようにシステムを運転制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記セルスタックの三つ以上の部位の各々に対応して電圧検出手段が設けられ、各電圧検出手段は対応する部位間の電圧を検出し、前記制御手段の前記劣化判定手段は、前記電圧検出手段の検出電圧を利用して前記セルスタックにおけるシール性低下の劣化状態を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックの第１の部位に対応して第１電圧検出手段が設けられ、このセルスタックの第２の部位に対応して第２電圧検出手段が設けられ、第１電圧検出手段は第１の部位間の開回路電圧を検出し、第２電圧検出手段は第２の部位間の開回路電圧を検出し、このようにしてセルスタックの二つの部位間の開回路電圧を検出し、これら第１及び第２電圧検出手段の検出電圧（即ち、第１及び第２開回路電圧）の電圧差又は電圧比に基づいてセルスタックにおけるシール性低下の劣化状態を判定する。
【００１８】
この開回路電圧は、セルスタックのガスシール性が良好であるときにはほぼ決まった電圧値となるが、ガスシール性が悪化すると低下する傾向にある。一般に、セルスタックは数１０〜数１００もの燃料電池セルを連結して構成されており、このようなセルスタックでは、セルスタック全体間の開回路電圧を検出したのでは、例えば、一つの燃料電池セルの開回路電圧が低下したとしてもその劣化を検知することが難しく、この開回路電圧の低下が温度の変動や燃料ガスの組成変動に起因したものであるかを判断することも難しい。  このようなことから、セルスタックの二つの部位（即ち、第１及び第２の部位）間の開回路電圧を検出し、これらの開回路電圧の電圧差又は電圧比に基づいてセルスタックの劣化を診断するもので、このようにして劣化状態を診断することによって、温度の変動や燃料ガスの組成変動の影響を受けることなくセルスタックの局部的な劣化状態を判定することができる。
【００１９】
セルスタックの劣化状態を判定するには、例えば、第１及び第２の部位についての第１及び第２開回路電圧を演算して燃料電池セル一つ当たりの開回路電圧を用いるのが望ましい。そして、第１及び第２の部位の１セル当たりの第１及び第２開回路電圧（第１及び第２単位開回路電圧）の電圧差又は電圧比を演算し、これら電圧差又は電圧比が設定値を超えたときに、劣化判定手段はセルスタックが劣化状態であると判定し、このように判定することによって、ガスシール性低下によるセルスタックの劣化を正確に判定することができる。
このような劣化判定モードの制御は、システムの起動時に行い、この劣化判定モードにおいてセルスタックの劣化状態を診断するので、セルスタックの第１及び第２の部位の第１及び第２開回路電圧を検出してセルスタックの劣化状態を容易に判定することができる。
また、この劣化判定モードの制御において、劣化判定手段がセルスタックが局部的に劣化状態であると判定すると、モード切換手段は劣化モードを設定し、劣化モードの稼動運転が行われる。この劣化モードにおいては、セルスタックにおける燃料利用率が下がるようにシステムの稼働運転が行われる。この燃料利用率とは、燃料ガス（アノードガス）に含まれる価電子の供給速度に対して、どれだけの発電電流として取り出しているかの割合である。
固体酸化物形燃料電池システムでは、投入した燃料ガスの全てをセルスタックで電気的エネルギーに変換するものではなく、意図的に余剰の燃料ガスを残し、この余剰の燃料ガスを燃焼させて改質器（改質触媒）における改質熱、改質水を水蒸気に気化する気化熱に利用し、またセルスタックを動作温度に維持するための熱に利用している。この燃料利用率を高くすると発電効率が高くなることが期待できるが、一方において作動温度の低下により内部抵抗が増大したり、燃料電池セル間への燃料分配の差が生じて一部の燃料電池セルに供給不良を生じるおそれがある。この燃料利用率は７０〜７５％程度に設定されており、ガスシール性が低下した状態において燃料利用率を一定のまま維持すると急速に燃料電池セルの劣化が進むおそれがあるが、ガスシール性の劣化したときに劣化モードに切り換えて燃料利用率を下げる、例えば６５〜７０％に下げる動作を行うことで、急激な燃料電池セルの劣化を抑えながら延命運転を継続することができる。また、この燃料利用率を下げることにより余剰燃料ガスの燃焼熱量が大きくなるが、コージェネレーションシステムと組み合わせることにより、この燃焼熱量を温水として貯えることができ、システム全体を考えたときに省エネ性の大きな低下も生じることはない。
【００２１】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックの三つ以上の部位の各々に対応して電圧検知手段を設けるので、セルスタックの三つ以上の部位についての局部的な劣化を正確に診断することができ、電圧検知手段の設置個数を増やすことによって、より細かい部位についての局部的な劣化を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態を簡略的に示す簡略図。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池システムにおける制御系を示すブロック図。
【図３】図２の制御系による制御の流れを示すフローチャート。
【図４】起動時に劣化判定モードを実行したときの発電時間と開回路電圧及び電圧差との関係を示す図。
【図５】稼動終了時に劣化判定モードを実行したときの発電時間と開回路電圧及びそれらの電圧差との関係を示す図。
【図６】固体酸化物形燃料電池システムの参考実施形態における制御系を示すブロック図。
【図７】図６の制御系による制御の流れを示すフローチャート。
【図８】発電中に劣化判定モードに切り換えて発電電流を挿引制御したときの出力電流とセル電圧との関係を示す図。
【図９】発電中に劣化判定モードを実行したときの発電時間と仮想開回路電圧及びそれらの電圧差との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明する。
【００２６】
〔固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態〕
図１〜図４を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、改質器４及びセルスタック６を備えている。改質器４は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、原燃料ガスが後述するようにして水蒸気改質される。原燃料ガスとしては、天然ガス（例えば、都市ガス）などが用いられる。
【００２７】
セルスタック６は、電気化学反応によって発電を行うための複数個の固体酸化物形燃料電池セル８を集電部材を介して積層することにより構成されている。この燃料電池セル８は、酸素イオンを伝導する固体電解質１０と、固体電解質１０の片側に設けられた燃料極（図示せず）と、固体電解質１０の他側に設けられた酸素極（図示せず）と、を備え、固体電解質１０として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
【００２８】
セルスタック６の各燃料電池セル８の燃料極側１２の導入側は、改質燃料ガス送給ライン１６を介して改質器４に接続され、また各燃料電池セル８の酸素極側１４の導入側は、空気供給ライン１８を介して空気ブロア２０（酸化材ブロアとして機能する）に接続されている。空気ブロア２２は、酸化材としての空気を空気供給ライン１８を通してセルスタック６（各燃料電池セル８）の空気極側１４に供給し、その回転数を制御することによって、セルスタック６に供給される空気の供給量が制御される。
【００２９】
改質器４は、燃料ガス送給ライン２２を介して脱硫装置２４に接続され、この脱硫装置２４は、燃料ガス供給ライン２６を介して原燃料ガス供給源（図示せず）（例えば、埋設管、燃料ガスタンクなど）に接続されている。燃料ガス供給ライン２６には、燃料ポンプ２８が配設されている。燃料ポンプ２８は、燃料ガス供給ライン２６を通して原燃料ガスを脱硫装置２４に供給し、脱硫器３４は、燃料ガス中に含まれる硫黄成分を除去し、硫黄成分が除去された原燃料ガスが燃料ガス送給ライン２２を通して改質器４に送給され、燃料ポンプ２８の回転数を制御することによって、改質器４に供給される原燃料ガスの供給量が制御される。
【００３０】
この実施形態では、燃料ガス送給ライン２２に水蒸気送給ライン３０の一端側が接続され、その他端側が気化器３２に接続され、この気化器３２は、改質水供給ライン３４を介して改質水供給源（図示せず）（例えば、水タンク、水道管など）に接続されている。改質水供給ライン３４には、改質水ポンプ３６が配設されている。改質水ポンプ３６は、改質水供給ライン３４を通して改質水を気化器３２に供給し、その回転数を制御することによって、気化器３２に供給される改質水の供給量が制御される。気化器３２は、改質水を気化して水蒸気を生成し、生成された水蒸気が水蒸気送給ライン３０を通して燃料ガス送給ライン２２に送給され、この燃料ガス送給ライン２２を通して原燃料ガスとともに改質器４に送給される。
【００３１】
改質器４は、原燃料ガスを気化器３２からの水蒸気により水蒸気改質し、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給ライン１６を通してセルスタック６（燃料電池セル８）の燃料極側１２に送給される。尚、水蒸気送給ライン３０を改質器４に接続し、気化器３２からの水蒸気３０を改質器４に直接的に送給するようにしてもよく、或いは気化器３２と改質器４とを一体的に構成し、脱硫装置２４からの原燃料ガスを気化器３２を通して改質器４に送給するようにしてもよい。
【００３２】
セルスタック６では、改質器４からの改質燃料ガスが各燃料電池セル８の燃料極側１２に供給され、空気ブロア２０からの空気（酸化材）が各燃料電池セル８の空気極側１４に供給され、各燃料電池セル８における改質燃料ガスの酸化及び酸化材の還元により発電が行われる。セルスタック６の発電出力は、発電出力ライン３８を介してインバータ４１に接続され、インバータ４１にて直流の発電電力が交流電力に変換された後に電力負荷（図示せず）（例えば、家庭内の各種電化製品など）に供給される。
【００３３】
セルスタック６の燃料極側１２及び酸素極側１４の各排出側には燃焼室４０が設けられ、セルスタック６（各燃料電池セル８）の燃料極側１２から排出された余剰の燃料ガス（即ち、セルスタック６での発電に使用されなかった燃料ガス）と酸素極側１４から排出された空気（酸素を含む）とがこの燃焼室４０に排出されて燃焼される。燃焼室４０は排気ガス排出ライン４２が接続され、燃焼室４０からの排気ガスが排気ガス排出ライン４２を通して大気に排出される。
【００３４】
このような固体酸化物形燃料電池システム２をコージェネレーションシステムに適用する場合、図示していないが、この燃料電池システム２に関連して貯湯装置が設けられるとともに、この排気ガス排出ライン４２に熱交換器が配設される。貯湯装置は、貯湯するための貯湯タンクと、貯湯タンク内の水を熱交換器を通して循環するための循環ラインとを備え、この循環ラインには循環ポンプが配設される。このようなコージェネレーションシステムでは、排気ガス排出ライン４２を通して排出される排気ガスと循環ラインを通して循環される水との熱交換が熱交換器で行われ、熱交換にて加温された温水が貯湯タンクに貯えられ、このようにして排気ガス中の熱が温水として回収され、このように熱回収を行うことによって、省エネ性を高めることができる。
【００３５】
この固体酸化物形燃料電池システム２においては、セルスタック６の局部的な劣化を診断するために、更に、次のように構成されている。図１とともに図２を参照して、この実施形態では、セルスタック６の片側の第１の部位（図１において左部）に対応して第１電圧検出手段５２が設けられ、その他側の第２の部位（図１において右部）に対応して第２電圧検出手段５４が設けられている。第１電圧検出手段５２は、セルスタック６の第１の部位間の電圧（後述する第１開回路電圧）を検出し、第２電圧検出手段５４は、セルスタック６の第２の部位間の電圧（後述する第２開回路電圧）を検出する。
【００３６】
また、セルスタック６に近接して温度検出手段５６が設けられ、また発電出力ライン４２には電流検出手段５８が設けられる。温度検出手段５６はセルスタック６の温度を検出し、電流検出手段５８は発電出力ライン４２を通して出力される発電電力の電流を検出する。第１及び第２電圧検出手段５２，５４、温度検出手段５６及び電流検出手段５８からの検出信号は、システム全体を制御するための制御手段６０に送給される。
【００３７】
制御手段６０は、例えばマイクロプロセッサなどから構成され、作動制御手段６２、電圧差演算手段６４、劣化判定手段６６、モード切換手段６８及びメモリ７０を含んでいる。作動制御手段６２は、システムの各種構成要素（燃料ポンプ２８、改質水ポンプ３６、空気ブロア２０及びインバータ３８など）を作動制御し、電圧差演算手段６４は、第１電圧検出手段５２の検出電圧（第１の部位間の電圧）と第２電圧検出手段５４の検出電圧（第２の部位間の電圧）との電圧差を演算し、演算した電圧差が劣化状態の判定に用いられ、このように電圧差を用いることによって、温度の変動や原燃料ガスの組成変動の影響を実質上なくしてセルスタック６の後述する劣化判定を行うことができる。
【００３８】
セルスタック６の第１の部位における燃料電池セル８の個数と第２の部位における燃料電池セル８の個数とが同じである場合には、第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧をそのまま用いることもできるが、第１及び第２の部位における燃料電池セル８の個数が異なるときには、第１及び第２の部位における検出電圧をそれらの部位の個数で除算した燃料電池セル８の一つ当たりの検出電圧（単位検出電圧）を、電圧差演算手段６４により演算する検出電圧として用いるのが好ましく、この場合、制御手段６０に単位電圧演算手段（図示せず）が含まれ、この単位電圧演算手段は、第１の部位については第１電圧検出手段５２の検出電圧を第１の部位の燃料電池セル数で除算して燃料電池セル８の一つ当たりの単位検出電圧を演算し、また第２の部位については第２電圧検出手段５４の検出電圧を第２の部位の燃料電池セル数で除算して燃料電池セル８の一つ当たりの単位検出電圧を演算し、このように単位検出電圧を演算することによって、燃料電池セル数の異なる二つの部位における劣化状態の診断を容易に行うことが可能となる。
【００３９】
また、劣化判定手段６６は、電圧差演算手段６４により演算した電圧差とメモリ手段７０に登録された設定電圧値とを比較する。セルスタック６において劣化状態が進行しないときにはこの電圧差はほとんどなく、局部的な劣化状態が進行するとこの電圧差が大きくなる傾向にある。このようなことから、劣化判定手段６６は、電圧差演算手段６４の電圧差が設定電圧値を超えると劣化状態が進行したとして劣化状態と判定し、劣化信号を生成する。
【００４０】
更に、モード切換手段６８は、劣化判定手段６６の劣化信号に基づいてモード切換信号を生成し、このモード切換信号に基づいて、通常モードの運転から劣化モードの運転に切り換え、固体酸化物形燃料電池システム２は劣化モードにより稼動運転される。
【００４１】
次に、図３及び図４をも参照して、劣化判定モードの稼動について説明する。固体酸化形燃料電池システム２を起動すると、劣化判定モードに移り、図３に示す劣化判定モードの運転が実行される。この劣化判定モードの運転においては、作動制御手段６２は、燃料ポンプ２８、改質水ポンプ３６、空気ブロア２０及びインバータ４１を作動し、原燃料ガスが脱硫装置２４を通して改質器４に供給されるとともに、改質水が気化器３２にて気化された後に水蒸気として改質器４に供給され、この改質器４にて水蒸気を利用した原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。そして、水蒸気改質された改質燃料ガスがセルスタック６の燃料極側１２に送給されるとともに、酸化材としての空気がセルスタック６の酸素極側１４に送給され、セルスタック６において発電が開始され、また燃焼室４０において余剰燃料ガスの燃焼が行われ、この燃焼熱を利用してセルスタック６、気化器３２及び改質器４が加熱される。このとき、セルスタック６の温度は低く、セルスタック６における発電状態が不安定であり、インバータ４１は、セルスタック６からの発電出力を交流電力に変換して出力することはない。
【００４２】
このように起動すると、温度検出手段５６はセルスタック６の温度を検出し（ステップＳ１）、温度検出手段５６の検出温度が測定温度（例えば、４８０℃程度に設定される）に達すると、ステップＳ２を経てステップＳ３に移り、第１及び第２電圧検出手段５２，５４は、セルスタック６の第１及び第２の部位間の電圧を検出する。このとき、インバータ４１から発電電力が出力されてなく、従って、第１及び第２電圧検出手段５２，５４が検出する電圧は、セルスタック６の第１及び第２の部位間の第１及び第２開回路電圧となる。
【００４３】
このようにして第１及び第２の部位間の電圧（即ち、第１及び第２開回路電圧）を検出すると、電圧差演算手段６４は第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧の差を演算し（ステップＳ４）、この電圧差が所定電圧値より小さいと、セルスタック６の局部的な劣化が生じていないとしてステップＳ６に進む。ステップＳ６においては、制御手段６０は通常モードを設定し、温度検出手段５６の検出温度が作動温度（例えば、６５０℃程度に設定される）に達すると、セルスタック６における発電状態が安定したとしてステップＳ７からステップＳ８に進み、固体酸化物形燃料電池システム２は、通常モードでもって運転される。この通常モードの運転においては、セルスタック６における燃料利用率が７０〜７５％程度に設定され、作動制御手段６２は、燃料利用率がこの範囲となるように燃料ポンプ２８、改質水ポンプ３６及び空気ブロア２０を作動制御する。
【００４４】
また、電圧差演算手段６４により演算された電圧差（即ち、第１及び第２開回路電圧の電圧差）が所定電圧値以上になると、セルスタック６において局部的な劣化が生じたとしてステップＳ５からステップＳ９に移り、劣化判定手段６６は、セルスタック６が劣化状態であると判定し、劣化信号を生成する。かくすると、この劣化信号に基づいてモード切換手段６８はモード切換信号を生成し、このモード切換信号に基づいて劣化モードを設定する（ステップＳ１０）。
【００４５】
その後、温度検出手段５６の検出温度が作動温度（例えば、６５０℃程度に設定される）に達すると、セルスタック６における発電状態が安定したとしてステップＳ１１からステップＳ１２に進み、固体酸化物形燃料電池システム２は、劣化モードでもって運転される。この劣化モードの運転においては、セルスタック６における燃料利用率が通常モードよりも低く、例えば６５〜７０％程度に設定され、作動制御手段６２は、燃料利用率がこの範囲となるように燃料ポンプ２８、改質水ポンプ３６及び空気ブロア２０を作動制御する。例えば、燃料利用率を低下させるために、燃料ポンプ２８の回転数を幾分上昇させて原燃料ガスの供給量を増加させるようにしてもよく、或いは燃料ポンプ２８の回転数の上昇に加えて、空気ブロア２０の回転数を幾分上昇させて空気の供給量を増加させるようにしてもよい。
【００４６】
図１〜図３に示す固体酸化物形燃料電池システム２を用い、第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧（即ち、第１及び第２開回路電圧）の電圧差を利用して劣化状態の診断が可能であるかを耐久試験を行って確認した。尚、この試験では、第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧を第１及び第２の部位における燃料電池セル８の個数で除算した燃料電池セル一つ当たりの検出電圧（即ち、単位検出電圧であって、第１及び第２単位開回路電圧となる）を用いて電圧差を演算している。
【００４７】
この確認試験において、セルスタックの温度が４６０〜５８０℃の範囲となるときに、セルスタック６の第１及び第２の部位間の電圧を第１及び第２電圧検出手段５２，５４で検出し、その電圧差（単位検出電圧の電圧差）を演算し、これら第１及び第２の部位間の単位検出電圧（ｍＶ／セル）及び単位検出電圧の電圧差（ｍＶ／セル）を示すと、図４に示す通りであった。この図４に示されるように、第１及び第２の部位間の単位検出電圧（第１及び第２単位開回路電圧）の電圧差においては、原燃料ガスと改質水との組成比の変動や改質器４の温度変動をキャンセルし、燃料電池セル８の劣化のみに起因する変化が捉えられていることが容易に理解される。
【００４８】
固体酸化物形燃料電池システム２の初期状態では、単位検出電圧の電圧差（図４の右軸）は、−０．８ｍＶであり、この電圧差は１万１０００時間までは大きな変化はなかったが、１万１０００時間以降からこの電圧差の連続的低下が顕著となり、その低下の速度も急激になった。このような傾向から、測定誤差による誤検知を含まないようにするため、例えば、−１０ｍＶ以下を劣化状態とみなすように設定すれば、１万４０００時間を経過した頃にはセルスタック６に劣化が生じたと判定し、燃料電池セル２を保護する劣化モードの運転に移行させることができる。
【００４９】
上述した実施形態では、第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧（第１及び第２開回路電圧）の電圧差が所定値になるとセルスタック６に局部部的な劣化が生じたとして劣化モードに移行させているが、例えば所定の幅以上の変化が所定時間継続して発生した場合に、セルスタック６に局部的な劣化が生じたと判定するようにしてもよく、或いはこの電圧差が所定値になる回数が所定回数（例えば、２〜３回）になった場合に、セルスタック６が局部的に劣化したと判定するようにしてもよい。
【００５０】
このような場合、図４を参照して説明すると、固体酸化物形燃料電池システム２の起動時毎の第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧（図４では、第１及び第２単位開回路電圧として示している）の電圧差（第１及び第２単位開回路電圧の電圧差）が、例えば±５．０ｍＶ／１０００時間の電圧差の変化速度が２回の起動で継続して確認された場合に劣化が生じたと判定するようにすると、この耐久試験では、１万３３００時間経過した頃にはセルスタック６に劣化が生じたと判定し、この時点で劣化モードの運転に移行させることができる。
【００５１】
上述した実施形態では、固体酸化物形燃料電池システム２の駆動時に劣化判定モードを遂行してセルスタック６の劣化状態を診断しているが、このような劣化判定モードは、この燃料電池システム２の稼動終了時に行うようにしてもよい。この稼動終了時においては、出力電流をゼロとしながらもセルスタック６（燃料電池セル８）の燃料極側１２及び空気極側１４に燃料ガス及び空気を送りながら冷却を行うが、このときにもセルスタック６の第１及び第２の部位間の第１及び第２開回路電圧を第１及び第２電圧検出手段５２，５４により検出することができる。
【００５２】
稼動終了時に劣化判定モードを遂行したとときの実験結果は、図５に示す通りであった。図５においても、第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧を第１及び第２の部位における燃料電池セル８の個数で除算した燃料電池セル一つ当たりの検出電圧（即ち、単位検出電圧であって、第１及び第２単位開回路電圧となる）を用いて電圧差を演算している。尚、この図５では、稼動終了時から４０分経過した時点での第１及び第２の部位間の第１及び第２単位開回路電圧とそれらの電圧差を示している。
【００５３】
図５に示されているように、第１及び第２単位開回路電圧の電圧差（図５の右軸）は、初期状態から３０００時間にかけて若干の電圧差の変化（−２．３ｍＶから−６．６ｍＶの変化）が生じているが、その後、この電圧差はほぼ一定となっている。そして、６５００時間を経過したころからその低下が顕著となっていることが分かる。このことは、稼動終了時の開回路電圧を用いることによって、起動時の開回路電圧を用いるときよりも早期に劣化状態を判定することができ、劣化モードの運転に対する早期の対応が可能であることが分かる。
【００５４】
稼動終了時の開回路電圧の方が高感度に劣化状態を検知できる理由としては、次のことが考えられる。ガスシール性が低下した燃料電池セル６の燃料極では、その発電状態で十分な還元ガスの供給が間に合わず、部分的な酸化状態が発生するものと考えられ、稼動終了時では、発電中に生じた酸化状態が残存しているため、本来の起電力よりもやや少ない開回路電圧を生じるものと考えられる。一方、起動時では、燃料ガスが十分に燃料電池セル６の燃料極に供給されているため、ガスシール性が低下した燃料電池セル６において燃料極に酸化状態が発生していたとしても、温度上昇の過程で再度還元され、本来の起電力に復帰していると考えられる。
【００５５】
この実施形態では、セルスタック６の片側の第１の部位間とその他側の第２の部位間の開回路電圧を検出しているが、開回路電圧を検出する部位はこのように異なる部位である必要はなく、第２の部位（又は第１の部位）を第１の部位（又は第２の部位）を含むようにしてもよく、例えばセルスタック６の片側（又は他側）の部位を第１の部位（又は第２の部位）とし、セルスタック６の全体を第２の部位（又は第１の部位）としてもよい。また、この形態ではセルスタック６の二つの部位間の開回路電圧を検出しているが、セルスタック６の三つ以上の部位間の開回路電圧を検出するようにしてもよく、検出する部位間を増やすことによって、より小さい部位間のセルスタック６の局部的な劣化状態を診断することができる。
【００５６】
〔固体酸化物形燃料電池システムの参考実施形態〕
次に、図６及び図７を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの参考実施形態について説明する。この参考実施形態では、燃料電池セルスタックの第１及び第２の部位間の開回路電圧を直接的に検出するのではなく、発電中に発電電流を低い側に挿引制御して得られる電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を利用して仮想開回路電圧を求め、この仮想開回路電圧を用いてセルスタック６の局部的な劣化状態を診断している。尚、参考実施形態において、上述した実施形態と同様のものには同一の番号を付し、その説明を省略する。
【００５７】
この参考実施形態においては、固体酸化物形燃料電池システムの基本的構成については、上述の実施形態と同様であって、図１に示す構成を有し、制御手段６０Ａの構成が相違している。
【００５８】
図６において、参考実施形態における制御手段６０Ａは、作動制御手段６２、電圧差演算手段６４、劣化判定手段６６、モード切換手段６８及びメモリ手段７０Ａに加えて、劣化判定モード切換手段８２及び仮想開回路電圧演算手段８４を含んでいる。劣化判定モード切換手段８２は、通常モードの運転中においてセルスタック６の劣化状態を診断するための劣化判定モードに切り換え、また仮想開回路電圧演算手段８４は、劣化判定モードの運転において得られた電流−電圧特性に基づいて後述するようにして仮想開回路電圧を演算する。この参考実施形態におけるその他の構成は、上述した実施形態と実質上同一である。
【００５９】
参考実施形態における劣化判定モードの稼動は、次のようにして行われる。図７をも参照して、固体酸化物形燃料電池システムの通常モードの運転中において劣化判定モードへの切換えが行われる。このような劣化判定モードへの切換えは、セルスタック６の発電電力が最大出力に保たれ（このときは、時間的に温度変動の少ない状態が保たれる）、このような安定状態（例えば、温度検出手段５６の検出温度が所定の温度幅内に保たれている）が一定時間（例えば、２〜５時間）経過するか、或いは、電流検出手段５８の検出電流が所定の電流幅内に保たれて一定時間（例えば、２〜５時間）経過するか、などの条件を満たすときに、劣化判定モード切換手段８２は、劣化判定モードの運転に切り換える（ステップＳ２２）。
【００６０】
劣化判定モードの運転に切り換わると、第１及び第２電圧検出手段５２及び５４は、セルスタック６の第１及び第２の部位間の電圧を検出する（ステップＳ２３）。そして、セルスタック６の出力電流を低下側に挿引する挿引制御が行われる（ステップＳ２４）。この実施形態では、出力電流の挿引制御が５段階にわたって行われ、第１段階では出力電流が８０％まで挿引され、第２段階では出力電流が６０％まで挿引され、第３段階では出力電流が４５％まで挿引制御され、第４段階では出力電流が３５％まで挿引され、第５段階では出力電流が２５％まで挿引される。第１段階の挿引制御が行われると、ステップＳ２４からステップＳ２５に進み、第１及び第２電圧検出手段５２，５４はセルスタック６の第１及び第２の部位間の電圧を検出し、この検出電圧が第１段階の挿引時の電圧としてメモリ手段７０Ａに記憶される。第１段階の挿引が行われると、ステップＳ２６からステップＳ２４に戻り、次に第２段階の挿引制御が行われ、第１及び第２電圧検出手段５２，５４はセルスタック６の第１及び第２の部位間の電圧を再び検出し、この検出電圧が第２段階の挿引時の電圧としてメモリ手段７０Ａに記憶される。このような挿引制御は、第５段階まで行われ、第５段階までの第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧がメモリ手段７０Ａに記憶される。
【００６１】
このようにして第５段階までの挿引制御が行われると、ステップＳ２６からステップＳ２７に進み、メモリ手段７０Ａに記憶された検出電流及び検出電圧に基づいて、仮想開回路電圧演算手段８４による仮想開回路電圧の演算が行われる。セルスタック６の第１の部位については、通常モードの運転における電流検出手段５８の検出電流と第１電圧検出手段５２の検出電圧、第１段階の挿引時の上記検出電流と上記検出電圧及び第２段階（及び第３段階、第４段階、第５段階）の上記検出電流と上記検出電圧とに基づいてセルスタック６の第１の部位における電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）のプロットを一次関数として求め、求めた一次関数を用いて第１仮想開回路電圧（即ち、第１仮想切片）が演算される。また、セルスタック６の第２の部位については、通常モードの運転における電流検出手段５８の検出電流と第２電圧検出手段５４の検出電圧、第１段階の挿引時の上記検出電流と上記検出電圧及び第２段階（及び第３段階、第４段階、第５段階）の上記検出電流と上記検出電圧とに基づいてセルスタック６の第２の部位における電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）のプロットを一次関数として求め、求めた一次関数を用いて第２仮想開回路電圧（即ち、第２仮想切片）が演算される。
【００６２】
この参考実施形態においても、上述した実施形態と同様に、第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧をそれらの部位における燃料電池セル８の個数で除算した燃料電池セル８の一つ当たりの検出電圧（単位検出電圧）を演算し、第１〜第５段階の単位検出電圧を用いて燃料電池セル８の一つ当たりの第１仮想単位開回路電圧（即ち、第１仮想単位切片）及び第２仮想単位開回路電圧（即ち、第２仮想単位切片）を演算し、第１及び第２仮想開回路電圧としてこれら第１及び第２仮想単位開回路電圧を用いるのが好ましい。
【００６３】
尚、この参考実施形態では、セルスタック６の出力電流の挿引制御時に低下側に５段階にわたって行っているが、低下側に１〜４段階、或いは低下側に６段階以上行うようにしてもよく、また挿引する出力電流についてもこの出力電流の２５％まで行う必要はなく、例えば５０％前後まで挿引制御するようにしてもよい。また、この挿引制御に要する時間は、例えば、１０〜３０秒程度でよく、その挿引制御については、例えば、インバータ４１の出力電流を制限することによって行うことができる。
【００６４】
上述したようにしてセルスタック６の第１及び第２の部位についての第１及び第２仮想開回路電圧を演算すると、ステップＳ２８に移り、電圧差演算手段６４は、第１及び第２仮想開回路電圧の電圧差を演算し、この電圧差が所定電圧値より小さいと、ステップＳ２９からステップＳ３０に移り、セルスタック６の局部的な劣化が生じていないとして燃料電池システムは通常モードで引き続き運転され、上述したと同様に、セルスタック６における燃料利用率が７０〜７５％程度となるように運転制御される。
【００６５】
また、電圧差演算手段６４により演算された電圧差（即ち、第１及び第２仮想開回路電圧の電圧差）が所定電圧値以上になると、セルスタック６において局部的な劣化が生じたとしてステップＳ２９からステップＳ３１に移り、劣化判定手段６６は、セルスタック６が劣化状態であると判定し、劣化信号を生成する。かくすると、この劣化信号に基づいてモード切換手段６８はモード切換信号を生成し、このモード切換信号に基づいて劣化モードを設定し、燃料電池システムは劣化モードでもって運転され、上述したと同様に、セルスタック６における燃料利用率が通常モードよりも低く、例えば６５〜７０％程度となるように運転制御される。
【００６６】
図６及び図７に示す固体酸化物形燃料電池システムを用い、燃料電池システムの最大出力による発電中に劣化判定モードに切り換え、挿引制御中の第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧に基づいて仮想開回路電圧を演算し、かかる仮想開回路電圧の電圧差を利用して劣化状態の診断が可能であるかを耐久試験を行って確認した。尚、この試験でも、第１及び第２電圧検出手段５２，５４の検出電圧を第１及び第２の部位における燃料電池セル８の個数で除算した燃料電池セル一つ当たりの検出電圧（即ち、単位検出電圧）を用い、かかる単位検出電圧に基づいて第１及び第２仮想単位開回路電圧を演算し、これら第１及び第２仮想単位開回路電圧の電圧差を演算している。
【００６７】
図８は、燃料電池システムの稼働中に劣化判定モードに切り換え、セルスタック６の出力電流を低下側に挿引制御したときの第１及び第２の部位間の検出電圧の変化を示している。この実験では、定格（最大出力）時のセルスタック６の出力電流を１００％とし、このようにしたときの８０％、６０％、４５％、３５％及び２５％の５段階に挿引制御した。この挿引制御は１０秒をかけて行い、かく挿引制御した際の第１及び第２の部位間の電圧を第１及び第２電圧検出手段５２，５４で検出した。
【００６８】
かく挿引制御したときのセルスタック６の第１及び第２の部位間の検出電圧とセルスタック６の出力電流との関係（Ｉ−Ｖ特性）は、図８に示す通りであり、第１及び第２の部位について得られたＩ−Ｖ特性に基づいて、第１及び第２仮想開回路電圧は、次のようにして算出することができる。
【００６９】
即ち、第１及び第２の部位についてのＩ−Ｖ特性は、図８から理解されるように、一次関数として求めることができ、求めた一次関数を用いて第１及び第２仮想切片（即ち、第１及び第２仮想開回路電圧）を算出することができる。
【００７０】
尚、例えば、セルスタック６の出力電流を１００％とＸ％（Ｘ＝０〜５０％）の２点を計測し、それらの検出電圧をＶ１００、ＶＸとすると、仮想開回路電圧Ｖは、
Ｖ＝〔Ｖ１００＋（Ｖ１００−ＶＸ）Ｘ１００〕／（１００−Ｘ）
として算出することができる。
【００７１】
出力電流を低下側に挿引する挿引制御は、上述したようなセルスタック６の温度や、出力電流が安定状態にあるときに限って行う必要はなく、例えば、２時間以上の適宜の時間間隔をおいて定期的に挿引制御を行ってセルスタック６の劣化状態を診断するようにしてもよく、或いはセルスタック６の温度や、出力電流が所定の範囲にある場合のみ、切片算出の演算を行い記憶するというようにしてもよい。
【００７２】
試験開始から１万８０００時間程度まで稼動させたものにおける第１及び第２仮想開回路電圧（第１及び第２仮想単位開回路電圧）及びそれらの電圧差は、図９に示すように推移した。この燃料電池システムに搭載したセルスタック６は、上述した実施形態におけるセルスタック６と同一のものであり、同じ劣化が進行しているものと考えることができる。図９から理解されるように、第１及び第２仮想開回路電圧（第１及び第２仮想単位開回路電圧）の電圧差（図９の右軸）は、初期状態では平均として約−６ｍＶであったが、６５００時間を経過した時点から低下が大きくなっていったことが分かる。このようなことから、仮想開回路電圧を用いてもセルスタック６の劣化状態を検知することが可能であり、起動時の開回路電圧を検出する場合よりも早期に劣化状態を検知することが可能となる。
【００７３】
その理由としては、次のことが考えられる。ガスシール性が低下した燃料電池セル８の燃料極では、その発電状態で十分な還元ガスの供給が間に合わず、部分的な酸化状態が発生するものと考えられ、この状態の燃料電池セル８では、電流を低電流に絞る過程で本来の起電力よりもやや少な目の起電力を生じるものと考えられる。一方、起動時では、燃料が十分に燃料極に供給されているため、ガスシール性が低下した燃料電池セル８において燃料極に酸化状態が発生していたとしても、温度上昇の過程で再度還元され、本来の起電力に復帰していると考えられる。これらのことから、発電状態から低電流側に挿引動作を行う方が、高感度な異常検知ができるものと推定される。
【００７４】
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。
【００７５】
例えば、上述した実施形態では、セルスタックの第１及び第２の部位間における開回路電圧の電圧差を用いているが、この電圧差に代えて、それらの電圧比を用いるようにしてもよく、このようにしても上述したと同様の作用効果を達成することができる。
【符号の説明】
【００７６】
２  固体酸化物形燃料電池システム
４  改質器
６  セルスタック
８  燃料電池セル
５２  第１温度検出手段
５４  第２温度検出手段
５６  温度検出手段
５８  電流検出手段
６０，６０Ａ  制御手段
６４  電圧差演算手段
６６  劣化判定手段
６８  モード切換手段
８２  劣化判定モード切換手段
８４  仮想開回路電圧演算手段
【図１】
0005986236.tif 000002
【図２】
0005986236.tif 000003
【図３】
0005986236.tif 000004
【図４】
0005986236.tif 000005
【図５】
0005986236.tif 000006
【図６】
0005986236.tif 000007
【図７】
0005986236.tif 000008
【図８】
0005986236.tif 000009
【図９】
0005986236.tif 000010