(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの異常診断において、モニタ個所を減らしても必要な検出情報を得ることができるようにする。【解決手段】  燃料電池セルスタック全体をモニタセルグループに分割する代わりに、当該燃料電池セルスタックの部分をなす一部のセル積層部のみを電圧検出部(電圧モニタ)とすることで、診断に要する構造を簡単にする。また、予め定めた特定の周波数範囲に属する周波数成分の大きさを、検出した電圧信号から抽出して診断することで、異常の発生が少ないうちから精度よく検出できるようにして、検出すべき情報が損なわれないようにする。【選択図】図１
2006107937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルスタックを含む燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出した電圧から、予め定めた所定周波数範囲の周波数成分を抽出して、当該周波数成分の大きさから前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断する診断手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記診断手段が、前記電圧検出手段により検出した電圧から予め定めた少なくとも二つの周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該少なくとも二つの周波数成分の大きさから前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２において、前記診断手段が、少なくとも一つの周波数成分から燃料電池セルスタックの異常を診断し、少なくとも他の一つの周波数成分から水素製造装置の異常を診断するものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１において、前記診断手段が、燃料電池システムの燃料供給手段、改質器とその制御手段、燃料電池セルスタック、熱回収系とその制御手段およびパワーコンディショナに係わる少なくとも一つの制御信号に予め定めた所定周波数成分を所定時間重畳し、前記所定時間の範囲において前記電圧検出手段により検出した電圧から当該周波数を含む周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記検出部を前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記燃料電池セルスタックのセパレータに電圧検出手段を設けて電圧を検出するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記燃料電池セルスタック内に少なくとも１枚の電圧検出用中間板を挿入して電圧を検出するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記検出部に含まれるセル数が２０セル以下であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に電圧検出部を設け、当該電圧検出部以外の発電部との間に着脱可能な仕切り手段を設けて、当該電圧検出部を交換可能にしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記検出部の少なくとも一つのセルは当該検出部以外の発電部のセルと比べて電極面積が小さい膜／電極接合体を具備するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記検出部の少なくとも一つのセルは当該セルを構成するセパレータに設けたガス流路の部分をなす一部のガス流路が、当該セルを構成する触媒電極と接触しないように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記検出部の少なくとも一つのセルは当該検出部以外の発電部のセルと比べて、当該セルのアノード極またはカソード極の少なくとも一方に係わるセパレータガス流路の少なくとも一部の断面積を小さくしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
触媒付きのアノード極およびカソード極を有する燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記検出部の少なくとも一つのセルは当該検出部以外の発電部のセルと比べて、当該セルのアノード極またはカソード極の少なくとも一方に係わる触媒の担持量を少なくしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
ルテニウムが担持されたアノード極を有する燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムであって、前記検出部の少なくとも一つのセルは当該検出部以外の発電部のセルと比べて、当該セルのアノード極に係わる触媒電極部のルテニウム担持量を少なくしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１０において、前記検出部にて検出した電圧から所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１１において、前記検出部にて検出した電圧から所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１２において、前記検出部にて検出した電圧から所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１３において、前記検出部にて検出した電圧から所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１４において、前記検出部にて検出した電圧から所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１０において、前記検出部にて検出した温度に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１１において、前記検出部にて検出した温度に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項１２において、前記検出部にて検出した温度に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２３】
請求項１３において、前記検出部にて検出した温度に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項１４において、前記検出部にて検出した温度に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２５】
請求項１０において、前記検出部を前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に設けると共に、当該検出部以外の発電部との間に着脱可能な仕切り手段を設けて、当該検出部を交換可能にしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２６】
請求項１１において、前記検出部を前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に設けると共に、当該検出部以外の発電部との間に着脱可能な仕切り手段を設けて、当該検出部を交換可能にしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２７】
請求項１２において、前記検出部を前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に設けると共に、当該検出部以外の発電部との間に着脱可能な仕切り手段を設けて、当該検出部を交換可能にしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２８】
請求項１３において、前記検出部を前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に設けると共に、当該検出部以外の発電部との間に着脱可能な仕切り手段を設けて、当該検出部を交換可能にしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２９】
請求項１４において、前記検出部を前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に設けると共に、当該検出部以外の発電部との間に着脱可能な仕切り手段を設けて、当該検出部を交換可能にしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３０】
燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常の有無を診断する診断手段を有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常が診断により検知された場合に当該燃料電池セルスタックから取り出す電流値を所定量変更する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３１】
請求項３０において、前記制御手段が、燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常が診断により検知された場合に、当該燃料電池セルスタックから取り出す電流値を所定量低減させるものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３２】
請求項３０において、前記制御手段では、前記電流値の制御に係わる所定量を前記診断手段によって抽出された異常原因に基づいて決めることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３３】
請求項３０において、前記制御手段では、燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常が診断により検知された場合に、当該燃料電池セルスタックから取り出す電流値を所定量変更する第１の制御ステップを実施した後に、診断によって抽出された異常原因に基づいて異常を回避する第２の制御ステップが実施されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３４】
燃料電池セルスタックを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池セルスタックの少なくとも一部を検出部として電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段にて検出した電圧から、予め定めた少なくとも一つの所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断する診断手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３５】
燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として電圧を検出し、検出した電圧から、予め定めた少なくとも一つの所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにしたことを特徴とする燃料電池システムの異常診断方法。
【請求項３６】
請求項１〜３４のいずれかに記載の燃料電池システムを用いたことを特徴とする家庭用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、燃料電池セルスタックを有する燃料電池システムと、その異常診断方法に係わる。特に、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：固体高分子形燃料電池）を用いた燃料電池システムに係わる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとその異常診断に係わる技術として、燃料電池セルスタックを構成する多数のセルを複数のセルグループに分けて、セルグループ毎の出力電圧を計測し、当該出力電圧の平均電圧、電圧ばらつき及びセルグループ毎の出力電圧の値に基づいて、運転状態を診断する方法が提案されている。一例として、特許文献１には、電気自動車に適用される燃料電池システムとして、セルグループごとの電圧をモニタできるセルモニタを有するシステムが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２７９１５号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１によれば、燃料電池セルスタック全体に渡る電圧モニタが可能であるが、実用システムにおいてはシステム簡素化への要求があり、モニタ個所を減らすことが必要である。しかし、モニタ個所を減らすと、検出すべき情報が損なわれるという問題がある。即ち、モニタ個所を減らすことと、検出すべき情報の適切な確保とを、いかに両立させるかという課題があった。
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池システムの異常診断において、モニタ個所を減らしても必要な検出情報を得ることができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部とする電圧検出手段と、前記電圧検出手段にて検出した電圧から予め定めた所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分の大きさから、前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断する診断手段とを具備した燃料電池システムにある。
【０００７】
また、燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として電圧を検出し、検出した電圧から予め定めた所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分の大きさから、前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムの異常診断方法にある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池および燃料電池システムの異常診断において、モニタ個所を減らしても必要な検出情報を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明において、所定周波数範囲の周波数成分とは、当該システムやスタックに検出すべき異常が生じた場合に、電圧検出部から検出した電圧信号に特徴的に現れる、または有意に信号が大きくなる周波数の範囲にある電圧信号成分を意味する。
【００１０】
本発明では、燃料電池セルスタック全体をモニタセルグループに分割する代わりに、当該燃料電池セルスタックの部分をなす一部のセル積層部のみを電圧検出部(電圧モニタ)とすることで、診断に要する構造を簡単にしている。加えて、予め定めた特定の周波数範囲に属する周波数成分の大きさを、検出した電圧信号から抽出して診断することで、異常の発生が少ないうちから精度よく検出できるようにしている。これにより、検出すべき情報が損なわれないようにしている。
【００１１】
本発明の実施態様を示すと、以下のとおりである。
【００１２】
（１）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を電圧検出部として、当該電圧検出部から検出した電圧から予め定めた少なくとも二つの周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該少なくとも二つの周波数成分の大きさから、前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断する。
【００１３】
この実施態様では、当該システムやスタックに特有な複数の周波数成分の大きさを検出信号から抽出して捉えることで、抽出された周波数成分間の比較や，相関の確認が可能である。これによって、バックグランドの雑音成分と検出すべき周波数領域に属する信号の分離が容易になり、正確な異常診断ができるようになる。
【００１４】
（２）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を電圧検出部として、当該電圧検出部から検出した電圧から予め定めた少なくとも二つの周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分の少なくとも一つから燃料電池セルスタックの異常を診断し、当該周波数成分の少なくとも他の一つから水素製造装置（改質器）の異常を診断する。
【００１５】
（３）燃料電池システムの燃料供給手段、改質器とその制御手段、燃料電池セルスタック、熱回収系とその制御手段、パワーコンディショナに係わる少なくとも一つの制御信号に、予め定めた所定周波数成分を所定時間重畳し、燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記所定時間の範囲において前記検出部より検出した電圧から当該周波数を含む周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断する。
【００１６】
（２）と（３）の態様では、システム各部の異常がセルスタックの電圧異常として現れることが多いことに注目している。セルスタックの電圧異常から、セルスタックのみならず、改質器、補機あるいは冷却水系など、システム各部の異常の有無を主たる周波数成分ごとに特徴づけて診断するようにしている。
【００１７】
（４）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を電圧検出部として、当該電圧検出部から検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記電圧検出部を前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に設ける。
【００１８】
電圧検出部（電圧モニタ）の数を減らす場合、異常の発生をいち早く検出できる部位にそれを設けることが望ましい。燃料電池セルスタックの端部は、一般に外部からの温度影響などを受けやすい傾向があるので、その部分に電圧検出部を設けるようにした。
【００１９】
（５）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を電圧検出部として、当該電圧検出部から検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルスタックのセパレータに電圧検出手段を設けて電圧を検出する。
【００２０】
電圧検出に必要な検出端子を、予め燃料電池セルスタックのセパレータに設けておくことで、セルスタックの積層方向のサイズを変更せずに診断のための電圧検出ができるようにしている。
【００２１】
（６）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を電圧検出部として、当該電圧検出部から検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルスタック内に少なくとも１枚の電圧検出用中間板を挿入して電圧を検出する。
【００２２】
燃料電池セルスタックに予め備わっている集電板と電圧検出用中間板との間で診断用電圧を検出することで、中間板を１枚挿入する簡単な方法で、経時的な配線接続不良等の発生を低減し、電圧検出を確実にできるようにしている。
【００２３】
（７）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を電圧検出部として、当該電圧検出部から検出した電圧から前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記電圧検出部に含まれるセル数を２０セル以下、望ましくは１０セル以下とする。
【００２４】
電圧検出部にあまり多くのセルを含めると、各セルのばらつき（振動成分）が時間的に平均化されてしまうため、周波数領域での正確な異常検出が困難となる。種々検討の結果、当該電圧検出部に含まれるセル数は２０セル以下、望ましくは１０セル以下がよいことが分かった。これによって、少ない数の電圧検出部でも適切に異常診断をするようにしている。
【００２５】
（８）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に電圧検出部を設け、当該電圧検出部以外の発電部との間に着脱可能な仕切り手段を設けて、当該電圧検出部を交換可能にした。
【００２６】
燃料電池セルスタックのうち、電圧検出部と当該検出部以外の発電部とを着脱容易にしている。発電部と電圧検出部とを独立に積層することで、一つの電圧検出部を種々の発電部と組み合わせて使用することができる。電圧検出部の構造は、その後の診断処理と密接に係わるので、同一の検出部を用いる場合には、その後の診断処理を大きく変更する必要がなく好ましい。
【００２７】
（９）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記検出部の少なくとも一つのセルは、当該検出部以外の発電部のセルと比べて、電極面積が小さい膜／電極接合体（ＭＥＡ）を具備するようにした。
【００２８】
（１０）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記検出部の少なくとも一つのセルは、当該セルを構成するセパレータに設けたガス流路の部分をなす一部のガス流路が、当該セルを構成する触媒電極と接触しないようにした。
【００２９】
電極面積や電極有効面積の小さいセルは、相対的に高電流密度運転になるので、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件にある。（９）および（１０）の態様では、発電部より先に、検出部に異常が発生しやすくしておくことで、発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できるようにしている。
【００３０】
（１１）燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記検出部の少なくとも一つのセルは、当該検出部以外の発電部のセルと比べて、当該セルのアノード極またはカソード極の少なくとも一方に係わるセパレータにおけるガス流路の少なくとも一部の断面積を小さくした。
【００３１】
セパレータ流路断面の一部が小さいセルは、相対的に流路の水詰まりが発生しやすくなるので、局部的なガス不足状態になりやすく、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件にある。発電部より先に、検出部に異常が発生しやすくしておくことで、発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できるようにしている。
【００３２】
（１２）触媒付きのアノード極およびカソード極を有する燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記検出部の少なくとも一つのセルは、当該検出部以外の発電部のセルと比べて、当該セルのアノード極またはカソード極の少なくとも一方に係わる触媒電極の触媒担持量を少なくした。
【００３３】
電極触媒の担持量が少ないセルは、少ない触媒量で反応をまかなうため、電圧の低下が早く、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件にある。発電部より先に検出部に異常が発生しやすくしておくことで、発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できるようにしている。
【００３４】
（１３）ルテニウムが担持されたアノード極を有する燃料電池セルスタックの部分をなす少なくとも一組のセル積層部を検出部として、前記燃料電池セルスタックまたはシステムの異常の有無を診断するようにした燃料電池システムにおいて、前記検出部の少なくとも一つのセルは、当該検出部以外の発電部のセルと比べて、当該セルのアノード極に係わる触媒電極部のルテニウム担持量を少なくした。
【００３５】
アノード電極触媒のルテニウム担持量が少ないセルは一酸化炭素（ＣＯ）被毒を起こしやすく、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件にある。発電部より先に検出部に異常が発生しやすくしておくことで、発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できるようにしている。
【００３６】
（１４）前記（９）〜（１３）のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記検出部にて検出した電圧から所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて、燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段を備えた。
【００３７】
発電部のセルより早い段階で生じた電圧検出部の電圧の不安定現象を、特徴的な周波数成分を抽出することによって精度よく検出するようにしている。また、周波数領域ごとに信号を分離して診断処理することで、異常原因の特定を容易にしている。
【００３８】
（１５）前記（９）〜（１３）のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、検出部の少なくとも一部より検出した温度に基づいて、燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにした診断手段を備えた。
【００３９】
発電部のセルより早い段階で生じた異常に対し、温度の変化によってこれを検出するようにしている。この場合、温度だけによる異常検知も可能であるが、電圧による異常検知と組み合わせれば、異常診断がより確実である。
【００４０】
（１６）前記（９）〜（１３）のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記検出部を燃料電池セルスタックの少なくとも一方の端部に設けると共に、当該検出部以外の発電部との間に着脱可能な仕切り手段を設けて、当該検出部を交換可能にした。
【００４１】
検出部のセルが、その他の発電部のセルより早い段階で異常を示すようにしているため、当該検出部のセル劣化も一般に早い場合がある。そこで、発電部のセルはそのままに、検出部のみを独立して交換可能な構造にしている。
【００４２】
（１７）燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常の有無を診断する診断手段を有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常が診断により検知された場合に当該燃料電池セルスタックから取り出す電流値を所定量変更する制御手段を備えた。この制御手段は、一例として、燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常が診断により検知された場合に、当該燃料電池セルスタックから取り出す電流値を所定量低減させるものである。また、電流値の制御に係わる所定量を診断手段によって抽出された異常原因に基づいて決めるものである。また、燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常が診断により検知された場合に、当該燃料電池セルスタックから取り出す電流値を所定量変更する第１の制御ステップを実施した後に、診断によって抽出された異常原因に基づいて異常を回避する第２の制御ステップを実施するものである。
【００４３】
異常の発生とともに、燃料電池セルスタックから取り出す電流量を、制御によって所定量変更することで、当該セルスタックの劣化につながる負担を速やかに軽減し、システムの運転を安定に継続できるようにしている。
【００４４】
（１８）燃料電池セルスタックを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルスタックの少なくとも一部を検出部として電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段にて検出した電圧から、予め定めた少なくとも一つの所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分に基づいて前記燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断する診断手段を備えた。
【００４５】
積層数の少ない小型の燃料電池セルスタックでは、電圧検出部を当該燃料電池セルスタックの更に少ない積層部分に限定しなくても周波数領域における異常診断を実施できる場合がある。こうした小型の燃料電池セルスタックを想定して、必ずしも検出部分を特定することなく、当該セルスタック全体の電圧出力によっても周波数領域における異常診断ができるようにした。
【００４６】
本発明に係る燃料電池発電システムは、家庭用燃料電池発電システムに適用している。
【実施例１】
【００４７】
図１は、実施例１に係わる燃料電池セルスタックと診断用電圧検出部を抽出した模式図である。
【００４８】
まず符号の説明をする。符号の１００は燃料電池セルスタックである。符号の１は診断のための電圧Ｖdを検出する電圧検出部、２a，２ｂは電圧検出用の端子すなわち電圧検出手段、３a，３ｂはスタック出力電圧Ｖoutを出力する出力端子、４は診断用電圧Ｖdの直流成分を検出する直流成分検出ライン、５a，５ｂは診断用電圧Ｖdから予め定めた特定の周波数成分を検出する交流成分検出ライン、６a，６ｂは特定の周波数成分を抽出するための手段(一例としてバンドパスフィルタ)、７a，７ｂは抽出した微小な周波数成分を増幅するための増幅手段（一例として交流増幅回路）、８は異常診断のための信号処理手段(一例としてマイコンなどによる処理部)である。
【００４９】
特定の周波数成分を検出するための手段６a，６ｂには、バンドパスフィルタ以外に、ハイパスフィルター或いはローパスフィルタ、その他の信号フィルタリング手段を用いてもよい。具体的には、抽出すべき周波数領域の信号のみを有意に通過させる電気的特性を持つ電気回路を構成すればよい。また、高速フーリエ変換或いはその他の周波数解析をマイコンなどで実施することにより、各周波数成分を抽出し、増幅するようにしてもよい。
【００５０】
また、直流以外の周波数成分を、当該周波数成分が微小のうちから検出できるように、診断用電圧Ｖdを微分処理するようにしてもよい。微分処理した後に、該当する周波数成分を改めて抽出するようにしてもよい。
【００５１】
特定の周波数成分を検出するための手段６a，６ｂは、増幅手段７a，７ｂ或いは信号処理手段８と合わせて、専用の集積回路にして小型化することができる。
【００５２】
続いて、各部の機能を説明する。
【００５３】
図１では、燃料電池セルスタック１００の部分をなす一組のセル積層部を電圧検出部１とした。燃料電池セルスタック１００の出力電圧は、出力端子３a，３ｂから取り出すが、診断用電圧Ｖｄは電圧検出手段２a，２ｂから取り出すようにしている。ここで出力端子３aと電圧検出手段２aは同じ端子であってもよい。
【００５４】
診断用の電圧検出部１を燃料電池セルスタック１００の部分に限定したので、燃料電池セルスタック全体を複数のセルグループに分けて、各グループに電圧検出部を設ける場合に比べて、診断用電圧Ｖdの取り出しや配線に係わる構造を簡単にでき、また制御ユニットのＩ/Ｏポートの割り当て数を少なくできる。その一方、電圧検出部１以外のセルに異常が生じても、当該異常については直接検出ができない。この問題を回避するために，本実施例では次のようにした。
【００５５】
まず、一つ目の方法では、電圧検出部１を、その他の積層部よりも早く異常が現れやすい位置に設定した。燃料電池セルスタックでは、端部のセルあるいはセル群に異常が生じやすい。これは、一つには、当該端部がセルスタック内部と比べて環境の温度変化などを受けやすいからである。こうした異常の現れやすいセル群を電圧検出部とすれば、その他のセル積層部に異常が生じる前に速やかに異常の発生を捉えることができるので、上記電圧検出部以外の積層セル電圧をモニタする必要がなく、当該異常に対する回避処理などを速やかに実施できる。
【００５６】
もちろん、セルスタックごとに異常の生じやすいセルの位置は異なる場合があるので、予め全てのセルに電圧端子を設けて、想定される幾つかの運転条件において異常の現れやすいセルの位置を特定しておけば、実運転での異常診断は、当該燃料電池セルスタックの部分を成す少なくとも一組のセルスタックによって同様に実施することができる。
【００５７】
図２に、電圧検出部を燃料電池セルスタックの中ほど二箇所に設けた場合を説明する。電圧検出部１a，１ｂは、それぞれ診断のための電圧Ｖd1，Ｖd2を検出する電圧検出部Ａ，Ｂであり、符号の２a，２ｂ，２ｃ，２ｄは電圧検出用の端子（電圧検出手段）である。
【００５８】
本実施例に係わる燃料電池セルスタックでは、電圧検出部Ａ，Ｂの位置で異常が生じやすいとした。例えば、当該スタックの定格運転条件に相当するガス流量にてスタック入口部より内側に入ったマニホルド内の二箇所で小さな渦ができやすく、当該個所に該当するセルの電圧が比較的変動しやすい、言い換えれば暴れやすい場合などである。流れの状態によって、電圧検出手段Ａ，Ｂのいずれか一方が排他的に電圧の暴れを生じる場合（一方で暴れが生じると他方では生じないといった場合）には、電圧検出部Ａ，Ｂの２箇所とすればよいし、両方同時に生じる場合には、いずれか一方を電圧検出部としてもよい。
【００５９】
続いて、二つ目の方法では、予め定めた特定の周波数領域の信号成分を抽出し、それに基づく異常診断をするようにした。燃料電池セルスタックは、正常であれば、運転条件によってほぼ一定の電圧を出力するが、好ましくない運転条件下にあっては、電圧が時間と共に変動をするようになる。このとき、電圧を周波数領域に展開してみると、特定の周波数領域の成分が多くなっている場合が多い。測定上のばらつきが大きい場合もあるが、ある周波数の領域についてみると、異常の発生との間に有意な相関を得ることができるようになる。図１では、こうした周波数領域をバンドパスフィルタなどの手段によって抽出し、これを増幅し、異常診断処理に使用するようにした。もちろん、これ以外の手段によって、当該周波数領域の信号成分を抽出し、処理するようにしてもよい。
【００６０】
異常との有意な相関がある特定の周波数成分を抽出すると、相関のないその他の周波数成分が除去されるため、信号のＳ/Ｎ比が向上する。また、微小な周波数成分の発生を増幅手段７によって増幅して捉えるので、検出の精度が向上する。燃料電池セルスタック全体についてみると、上記のように、特定のセル積層部で異常がより発生しやすいことはあっても、特定のセルだけ異常がまったく起こらないということは少ない。なぜなら、燃料電池セルスタックへのガス供給はマニホルドを通じて各セルに及ぶものであり、また電流も直列に取り出すため、異常セルの発生は、影響の大小は別にして他のセルに及ぶからである。従って、異常が発生しはじめた極初期の段階で、これを精度よく捉える検出精度があれば、電圧検出部を燃料電池セルスタックの部分に限定しても正しい異常診断をすることができる。
【００６１】
本実施例では、異常の発生に有意な相関を持つ周波数成分を抽出し、当該成分が微小のうちに検出できるようにしたので、検出精度を向上でき、上記電圧検出部以外の積層セル電圧をモニタする必要なく、当該異常に対する回避処理などを速やかに実施できる。
【００６２】
ここで，上記電圧検出部に含まれるセルの数は，電圧検出部１の位置を調整することで任意に設定できるが、実用的には２０セル以下が望ましく、特に１０セル以下が望ましい。電圧の異常を検出する上で、電圧検出部にあまり多くのセルを含めると、各セルの電圧ばらつき（振動成分）がセル間で平均化されてしまうため、周波数領域での正確な異常検出が困難となるからである。１０セル程度であれば、各セルの電圧ばらつき（振動成分）が平均化されてしまうことが少ない。２０セル程度になると平均化の度合いは進むが、それでもなお、特徴を損なわない範囲である。逆に電圧検出部のセル数を少なくしすぎると、一部のセル電圧しか検出対象にできないので、スタック全体に渡る診断が正確でなくなる恐れがある。安定した特性を有するスタックにおいては、端部の極一部のセル電圧だけを検出して異常の有無を判断できる場合もあるため、１０から２０セル程度、あるいはそれ以下というセル数が実用上代表的な値として選択される。電圧検出部１のセル数は、対象とする燃料電池セルスタックそれぞれの特性或いは微小信号の増幅方法によって、必ずしも上記セル数の範囲に限るものではないが、これを適切に選択することで、特定の周波数領域の信号成分に注目した異常診断を好ましい形態で実施することができる。
【００６３】
積層数が比較的少ない小型の燃料電池セルスタックでは、電圧検出部１を当該燃料電池セルスタックの部分をなすセル積層部に限定しなくても周波数領域における異常診断を実施できる場合がある。こうした小型の燃料電池セルスタックなどでは、必ずしも電圧検出部を当該燃料電池セルスタックの部分に特定することなく、当該セルスタック全体の電圧出力から周波数領域における異常診断をするようにしてもよい。
【００６４】
診断用電圧Ｖdの検出にあたっては、燃料電池セルスタックから制御して取り出す電流の値を一定にしておくことが望ましい。なぜなら、異常の有無によらず、燃料電池セルスタック本来の特性によって、電流の変化は診断用電圧Ｖdを変化させるからである。システム運転では、定格運転或いは部分負荷運転など所定の運転状態(運転モード)ごとに所定の電流値を設定し、パワーコントローラで制御するようにすれば、システム運転中にほぼ一定の電流制御状態を得ることができる。この状態で診断を実施すればよい。
【００６５】
診断の誤りを回避するために、起動時或いは停止時、また各運転モード(定格運転或いはそれぞれの部分負荷運転など)の変更時などには、信号処理手段８による診断処理を一時的に中断するようにしてもよい。システムがいずれの運転状態にあるかは、システム全体を制御する制御手段が決めるようにできるので、当該運転状態の設定或いは切り替えに係わる情報を参照して、サンプリングされたデータから、過渡的応答期間に該当するデータを診断の対象としないようにすることができる。
【００６６】
診断のための信号処理手段８は，上記システム全体を制御する制御手段と一体のユニットに構成してもよいし、別のユニットに構成して、相互の通信によって情報をやりとりするようにしてもよい。
【００６７】
図１では、２つのバンドパスフィルタすなわちＢＰＦ１とＢＰＦ２によって少なくとも二つの周波数領域の信号成分を抽出するようにした。当該実施例のように二つの周波数領域の信号を使って信号処理する場合、少なくとも次の二つの効果がある。
【００６８】
一つには、異なる異常原因によって生じる周波数成分の変化が、それぞれ異なる周波数領域の信号変化として現れる場合に、各周波数領域の信号をＢＰＦ１，２によって分離して検出すれば、精度よい異常の検出とともに、当該異常の発生原因を周波数領域の違いによって特定することができる。
【００６９】
また一つには、ひとつの異常の発生によって生じる周波数成分の変化が、それぞれ異なる周波数領域の信号変化として同時に現れる場合に、両者の相関をみることで、いずれの周波数領域にも信号変化があった場合のみ、異常が発生したと特定できるので、当該周波数領域の信号成分にノイズ成分が重畳する場合であっても、正確な異常診断ができる。一例として、当該周波数領域の信号成分のうち、一つの周波数成分にノイズが重畳した場合に、当該周波数成分だけを検出する方法では、これが異常の発生によるものか或いはノイズによるものか区別が困難であるが、同時にもう一つの周波数領域の信号成分を確認し、当該信号成分が相関をもって増加している場合には異常の発生と判断し、そうでない場合は、ノイズによるものであるというように判断することができる。
【００７０】
もちろん、実用的には、検出する周波数は一つの周波数領域の信号成分だけであってもよく、この場合には、診断のための信号処理系の構成を簡単にすることができる。
【００７１】
いずれの周波数成分に異常が現れやすいかは燃料電池セルスタックごとに異なるが、予め想定される幾つかの運転条件で異常の生じやすい周波数領域を特定しておけば、周波数域での異常診断ができ、異常の原因を周波数域で分離して捉えるようにすることもできる。
【００７２】
図３にて、検出対象とする代表的な周波数の設定方法を説明する。符号の２００は燃料電池セルスタック１００に改質ガスを供給する改質器、符号の３００は当該改質器を制御するための改質器制御手段、符号の３０１は当該改質器制御手段から、改質器２００を制御するために発信される制御信号の一例を模式的に示したものである。制御信号３０１は、例えば改質器に供給する原燃料の流量が所定流量になるように、離散的な設定値を切り替えて制御する場合などを想定している。
【００７３】
診断用電圧Ｖdから特定の周波数領域の信号成分を抽出して異常の有無を診断する場合、一つには、制御信号３０１に特有な周波数に注目するとよい。図３では、当該信号周期の逆数である代表的な周波数をｆ１とした。制御信号３０１の周期性は、通常の制御によって生じる場合、改質器の異常状態下に制御の結果として生じる場合、更に，通常の制御では生じないが、所定の時間だけ意図的に周期性を加える場合などが想定される。
【００７４】
通常の制御によって周波数ｆ１を中心とした周期性が生じる場合、燃料電池セルスタックの診断用電圧Ｖdに当該周期性が影響する。ここで、正常な状態であれば、改質器内部の反応過程のなかで周波数成分は平均化されるため、診断用電圧Ｖdに現れる影響は比較的小さい。一方、改質器に異常が発生した状態では、周波数ｆ１を中心とした電圧信号成分が大きくなる場合がある。一例として、改質器の改質部温度制御に周波数ｆ１を有する流量制御を加える場合、改質ガスのガス組成や流量に当該周波数ｆ１の振動が現れるが、正常な運転においては、シフト反応部やＣＯ酸化除去部を通過する間にガス組成或いは流量に現れる周期性は均されてしまう。一方、シフト反応部或いはＣＯ酸化除去部の反応に反応むら等の異常が生じると、反応ガスの一部が偏流などによって、これらの反応部をスリップして流れ出る場合がある。こうした場合、ガス組成や流量に現れる周期性は均されることなく燃料電池セルスタックへ供給されることになるので、当該周波数成分を含む周波数領域の電圧信号が増加する。これを検出すれば、改質器の異常を分離して検出できる。
【００７５】
改質器が異常状態となり、これを補正すべく制御が働いた結果として上記周期性が生じる場合は、具体的に次のような場合である。正常な運転であれば一定の流量を流す一定の制御信号が送信されている。ここで、何らかの理由により異常が発生（例えば温度が上昇）すると、当該異常状態の発生を抑制するように、流量値が変更され、異常な状態（温度高の状態）は正常な状態（通常の温度）に回復する。回復に伴い、上記流量値は元の設定値にもどる。しかし、もともとの異常の発生原因が解消されていないと、ここで再び異常が発生（例えば温度が上昇）する。これを繰り返すことによって、周期性が現れる。原因がフィードバック制御のチューニングが適正でないことによる場合には、当該周期性はハンチングとして現れる。これらの周期性に該当する周波数をシンボリックにｆ１とすると、正常な運転であればｆ１を中心とする周波数領域の信号成分はほとんどないが、異常発生とともに当該信号成分が現れるので、ｆ１を中心に抽出された周波数成分の有無をもって異常の有無を診断できる。
【００７６】
当該診断により異常と判断された場合、上記制御のチューニング不良に原因がある場合などは、改質器の経時変化によって制御パラメータが適切でなくなったことに起因する可能性がある。この場合には、制御パラメータの自動変更などにより、回復できる場合がある。
【００７７】
制御信号に対して、所定時間の間、意図的に周期性を加える場合は、具体的に次のような場合である。正常な運転であれば一定の流量を流す一定の制御信号が送信されている。当該一定の制御信号に意図的に所定時間の間、周波数ｆ１を中心とする振動を加え、これに対応する周波数成分が目論み通りに診断用電圧Ｖdのｆ１を中心とする周波数成分に現れるかどうかを見るようにするものである。この場合、当該周波数成分が現れれば正常であり、何らかの理由により現れなければ異常と判断できる。また、当該周波数成分が目論み通りの大きさであれば正常と判断し、これと異なる大きな値を示すような場合には異常と判断できる。本実施例においては、予め特定の周波数成分を意図的に加えるようにしているので、異常診断のための周波数領域の選定を確実にできる。
【００７８】
診断用電圧Ｖdから特定の周波数領域の信号成分を抽出して異常の有無を診断する場合、また一つには、改質器のガス組成或いは流量などがシステム連携状態で示す特有の周波数に注目するとよい。図３では、改質器状態に係わる当該周波数をｆ２とした。燃料電池システムでは、改質器から供給した水素が燃料電池セルスタックで消費されずに残った場合、これを改質器の燃焼器へ戻して燃焼させ、改質器の反応に係わる熱として回収する場合が多い。こうした場合、熱を介した閉ループ系が組まれる。ここで、例えば改質器に一過性的な温度異常が生じると、当該異常に伴う変化が上記閉ループによって伝播し、再び改質器の温度に影響を与える場合がある。閉ループによる影響の伝播により、当該温度異常は擬似的な周期性を持つようになり、当該温度異常が改質ガス組成などに影響を与えれば、電圧検出手段で検出する診断用電圧Ｖdにも当該周波数領域の信号成分が現れるようになる。これを抽出して異常の有無を診断することができる。上記閉ループに伴う周期性は、例えばシステム内をガスが移動する程度の時間間隔で、擬似的な周期性を持つことになる。もちろん、上記以外にも、改質器特有の構造や制御方法によって、異常の有無が擬似的な周期性をもって検出できる場合もある。
【００７９】
診断用電圧Ｖdから特定の周波数領域の信号成分を抽出して異常の有無を診断する場合、また一つには、燃料電池セルスタック運転に係わる特有の周波数に注目するとよい。図３では、セルスタック状態に係わる当該周波数をｆ３とした。当該周波数に係わる異常としては、例えば、燃料電池セルスタックへの水の滞留がある。燃料電池セルスタックの露点管理に不具合を生じると、燃料電池セルスタック内で水が凝縮し、当該水が滞留することがある。滞留した水は燃料電池セルスタックの構造によって、例えば数分から数十分程度で当該セルスタックから排出されるが、水の凝縮が継続して発生する場合には、水つまりと排出とが擬似的な周期性をもって現れるようになる。当該周期性に起因する周波数領域の電圧信号成分を抽出すれば、異常の有無を診断できる。また別の例として、燃料電池セルスタックのガス流れの異常がある。燃料電池セルスタックのマニホルド内にガス流れにより渦が発生する場合には、当該渦の発生頻度が流れの状態によって擬似的な周期性を持つ場合がある。当該周期性に起因する周波数領域の電圧信号成分を抽出すれば、異常の有無を診断できる。周期性の中心周波数は、原因ごとに異なることが多いので、これらの周期性に起因する周波数領域の電圧信号成分を独立に抽出すれば、異常の有無とともに、異常の原因も診断できる。
【００８０】
以上では、主として改質器と燃料電池セルスタックに起因する異常診断について説明したが、冷却水系やパワーコンディショナに係わる異常なども、当該異常に特有な周期性に注目することで、同様に診断できる。冷却水系に係わる周期性は流れや熱的な特性で決まることが多いので、比較的長い周期として現れる。また，パワーコンディショナに係わる異常は、電気的な特性で決まることが多いので、比較的短い周期として現れる。
【００８１】
上記の診断に加え、スタック出力電圧Ｖoutや診断用電圧Ｖdの直流成分、すなわち振動に係わる成分以外の成分を診断に併用してもよい。この場合、例えば当該電圧値の大小を異常の判定条件の一つにすることができる。また、電圧に特定の周波数成分が現れることと、ＶoutやＶdの緩やかな変化（ドリフト）を示すことをAND条件にして、異常の診断に用いることができる。
【００８２】
特定の周波数成分に現れる特徴的変化と、直流成分に現れる特徴的変化の両方に基づいて異常診断をすることにより、診断の確度を向上でき、より詳細な原因の特定を容易にできる。
【００８３】
また、上記ＶoutやＶdの値は、正常な燃料電池セルスタックであっても経時的に緩やかな低下を示すので、例えば当該電圧値に基づいて異常診断の閾値をマップで呼び出すようにすれば、経時変化による閾値の変化を適正に補正することができ、経時変化を含めた異常診断を実施できる。
【００８４】
図３では、説明を明確にするため、一つの制御信号のみとしたが、その他の制御信号についても同様に扱うことができる。診断の信号処理において、これらの情報を組み合わせて診断するようにしてもよい。
【００８５】
図３の四角枠の中に、特定の周波数成分を抽出する様子を模式的に示した。横軸は周波数、縦軸は信号強度である。ここで信号強度とは、各周波数に該当する信号振動成分の振幅を二乗した値か、あるいはその平方根を採った値などを表示したものである。信号強度は直流成分などで規格化するとともに、当該直流成分を除いた形で表示するようにできるが、その他の方法で表示してもよい。図に示す各抽出バンドは、診断のために設けたもので、注目する周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３のそれぞれを中心として所定の幅を持つ周波数帯域を予め定めるようにした。信号処理手段８は、抽出バンド１，２，３のそれぞれの中に含まれる周波数成分の強度を算出することで、各周波数バンドの電圧信号の強度を求める。これによって、各抽出バンドの成分が有るか否か、或いは、その値がいくらであるかが分かるので、当該信号強度の算出結果に基づいて、異常の有無を診断することができる。周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３は、一例として、それぞれ図の信号処理フローに説明する周波数を示すものとした。当該周波数に加えて、図では周波数ｆ４に信号のピークがみえるが、例えば予め実験確認をした結果、当該周波数域に現れるピークはシステムに特有のノイズであると分かっていれば、上記抽出バンドの幅を制限することによって、異常診断に用いる信号から、こうしたノイズを確実に除去できるので、診断に必要な精度を上げることができる。
【００８６】
図４は、電圧検出部１の具体的な構成例を説明するフレーム図である。符号の１０１a，１０１ｂは燃料電池セルスタックを所定の締め付け条件に維持する端板、符号の１０２はセパレータ、符号の１０３a，１０３ｂ，１０３ｃは集電板である。ここで、燃料電池セルスタックの電圧検出用の端子２aと、出力端子３aとは同じもので兼用するようにした。その他、説明に直接係わらない電解質膜、拡散層、シール材、冷却のための手段などは省略している。
【００８７】
電圧検出部１は、集電板１０３aと集電板(電圧検出用中間板)１０３ｂの間にセル積層体として構成した。本来の燃料電池セルスタックの構造との違いについてみると、主として電圧検出用中間板である集電板１０３ｂを挿入する少ない変更で、本発明に係わる電圧検出部を構成できることがわかる。また、電圧検出用中間板である集電板を使うことによって、経時的な配線接続不良等の発生を低減し、電圧検出を確実にできる。
【００８８】
図５は、電圧検出部１の具体的な構成例を説明する別のフレーム図である。ここでは、集電板１０３ｂを使用せずに、電圧検出部１を電圧検出手段２a，２ｂの間のセル積層体として構成した。特別な集電板を使う代わりに、電圧検出手段２a，２ｂは、通常のセパレータの端部にセパレータと一体化して設けるようにした。
【００８９】
一体化する方法としては、次のような方法がある。モールド成形によるセパレータや金属系のセパレータであれば、予め当該セパレータの図示するような位置に電圧検出のための端子を一体成形しておくとよい。当該電圧検出手段である端子には、電気的配線のための孔や、電気的配線等に好ましい構造を設けておくとよい。また、形状の変更が比較的難しい緻密黒鉛系のセパレータであれば、当該セパレータに、電圧検出端子を埋め込むことができる孔を電圧検出手段として設けておくようにしてもよい。本来の燃料電池セルスタックの構造との違いについてみると、主として電圧検出手段２a，２ｂを所定のセパレータに一体化させて設けるだけであるため、集電板を追加する場合と比べて、セルスタック自体の積層方向の寸法を大きくすることがない。また、電圧検出手段２a，２ｂを所定のセパレータに予め一体化させておくことができるので、燃料電池セルスタックの積層手順を変更する必要がない。
【００９０】
図６は、電圧検出部１の具体的な構成例を説明する更に別のフレーム図である。ここでは、電圧検出部１と発電部１０４であるその他のセル積層部との間に、端板１０１ｃと１０１ｄとを設け、図中に矢印で示す位置で当該電圧検出部とその他のセル積層部とを着脱可能なように構成した。即ち、電圧検出部１は、集電板１０３aと１０３ｂの間のセル積層体として構成し、燃料電池セルスタックとしてのその他の発電部１０４を、集電板１０３ｄと１０３ｃの間のセル積層体として構成し、両者を端板１０１ｃと１０１ｄで隣接するようにした。この場合、電圧検出部１と発電部１０４とは、少なくとも通ガスや冷却水循環などにおいて、共通のマニホルドにて直列接続できる構成とした。このためには、端板１０１ｃと１０１ｄに共通のマニホルド孔を設けておき、両者を一致させ、且つオーリングなどのシール手段によって、気密性を保持して閉じ合わせるようにすればよい。或いは、端板１０１ｃから一旦、ガスや水を配管にて取り出し、端板１０１ｄへ改めて繋ぐようにしてもよい。当該接続部に係わる端板と集電板の構造の詳細は、通常の燃料電池セルスタックにおけるそれと同じ構造にできる。電気的には、端板１０１ｃと１０１ｄは互いに絶縁されるので、別の配線を当該端板の内外に設けて集電板１０３ｂと１０３ｄとを電気的に直列してもよいし、あるいは独立に電圧等を検出するようにしてもよい。
【００９１】
通ガスや冷却水循環などを含め、電圧検出部１と発電部１０４とで独立に発電運転するようにもできるが、正しい異常診断のために、発電部１０４の運転条件と電圧検出部１の運転条件とは、できるだけ同一であるのがよい。つまり、電圧検出部１の各セルには、発電部１０４と同じ電流印加と通ガスを実施し、冷却水量などの条件も合わせるようにしておく。発電の条件が同じであるから、発電部１０４をモニタすることなく、電圧検出部１の電圧をモニタして異常診断が容易になる。あわせて、本発明に係わる図１の構成によれば、異常を精度よく、且つ速やかに検知できる。もちろん、電圧検出部１と発電部１０４に異なる電流負荷を加えることも、図６の実施例においては構造的に可能である。
【００９２】
電圧検出部１の構造は、閾値の設定などを含む異常診断のための信号処理と密接に係わるため、適用する燃料電池セルスタックごとに変えないことが望ましい。電圧検出部１と、その他のセル積層部である発電部１０４とが着脱可能な図６の構成であれば、信号処理部と合わせて電圧検出部１を構成し、これを診断対象とするセルスタックごとに取り付けるようにすれば、一つの電圧検出部を種々の発電部と組み合わせて使用することができるので、燃料電池セルスタックごとに異常診断の具体的な処理を調整する必要がない。
【００９３】
また、着脱可能とした電圧検出部１は、燃料電池セルスタックの端部に配置されるので、図１に説明したとおり、外部からの温度の影響などを受けやすい当該電圧検出部により、他の発電部１０４より早い段階で異常の発生を検知できる。
【実施例２】
【００９４】
図７は、燃料電池セルスタックの診断用電圧検出部を説明した模式図である。符号の１０５a，１０５ｂは一体型ＭＥＡ、符号の１０６a，１０６ｂは触媒付きの電極部である。ＭＥＡとは、膜／電極接合体のことであり、燃料電池の発電に必要な電解質膜と電極とを一体化したものである。また、一体型ＭＥＡとは、電極だけでなく、ガス拡散層やシール材（ガスケット）など、ＭＥＡの周辺に位置する部材を一体化したものである。ここでは一体型ＭＥＡなどを模式的に示している。セパレータ１０２や一体型ＭＥＡの数は説明に必要なものに限定しており、その他の構成部材についても特に説明に必要なものだけを抽出した。図７では、簡単のために一体型ＭＥＡ１０５ａと一体型ＭＥＡ１０５ｂを使用する場合について図示したが、もちろん一体型でないＭＥＡやその他の部材を組み合わせて使用するようにしてもよい。
【００９５】
図８に、一体型ＭＥＡ１０５の断面構造例を示す。符号の５０２はＭＥＡ本体であり、膜状のものである。符号の５０３はガスケットであり、ＭＥＡ５０２の上下に配置され、周辺部を取り囲むようにシール可能にしている。符号の５０４はガス拡散層であり，ＭＥＡ５０２の上下に配置され、ガスケット５０３以外の中心部にはまるようにしている。符号の５０１はマニホルドであり、通ガスや通水のために設けた孔である。当該孔は、ガスケット５０３の部分においてＭＥＡ５０２に設けられているので、ガスケット５０３によりシールされ、ガスや水のリークは防止されている。
【００９６】
続いて、各部の機能を説明する。電圧検出手段２a，２ｂの間にセル積層部を構成し、これを電圧検出部１とする構造は、実施例１と同じであるが、ここでは、電圧検出部１に含まれる少なくとも1つのセルに対して、構造を工夫することにより、診断のための異常検知を精度よくできるようにした。
【００９７】
図７では電圧検出部少なくとも一つのセルが、当該検出部以外の発電部のセルと比べて、電極面積が小さい膜／電極接合体（ＭＥＡ）を具備するようにしている。具体的には、電極部１０６aの面積を発電部と同等にしたのに対し、電極部１０６ｂの面積はそれより小さくした。セパレータの各流路は、当該面積をすべて横切るが、電極部１０６aに対して電極部１０６ｂでは限られた面積に電流が集中する。電極面積や電極有効面積の小さいセルは、相対的に高電流密度運転になるので、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件となる。これによって、発電部より先に、電圧検出部に異常が発生しやすくなるので、上記発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できる。このようにして、電圧検出部の感度を向上できる。
【００９８】
なお、図７では、電圧検出部１の構成例を示したが、上記電圧検出手段２a，２ｂをそれぞれ出力端子３a，３ｂとすれば、通常の燃料電池セルスタックの中に、電極面積や電極有効面積の小さいセルを設けた構成とみることもできる。この場合、電極部１０６ｂのセルを電圧検出部として異常診断のための信号処理をするようにしてもよい。
【００９９】
図９にて、電圧検出部の感度を向上させる別の構成を説明する。ここでは，電圧検出部の少なくとも一つのセルにおいて、当該セルに係わるセパレータに設けたガス流路のうち少なくとも一部の流路が、当該セルに係わるアノード極またはカソード極の少なくとも一方に係わる触媒電極と接触しないようにした。該当する電極構造などは模式的に図示した。流路構造などはシンボリックに示したものである。図７との違いは、電極部１０６ｂの面積を小さくする際に、一部の流路と接しないようにした点にある。この場合、各流路についてみると、電極との接触を制限された流路以外は通常の発電セルと同じ設計となるので、診断の際に構造変更に伴う悪影響が生じにくい。電極との接触を制限された流路を含む全体についてみれば、図７の場合と同様に電極部１０６ｂでは限られた面積に電流が集中する。電極面積や電極有効面積の小さいセルは、相対的に高電流密度運転になるので、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件となる。これによって、発電部より先に、電圧検出部に異常が発生しやすくなるので、上記発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できる。このようにして、電圧検出部の感度を向上できる。
【０１００】
図９では、また、セパレータ流路の一部に絞り１０７すなわち溝断面積縮小部を設けるようにしている。セパレータ流路断面の一部が小さいセルを設けると、当該セパレータにおいて、相対的に流路の水詰まりが発生しやすくなるので、局部的なガス不足状態になりやすく、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件となる。このようにして、発電部より先に電圧検出部に異常が発生しやすくしておくことで、発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できる。このようにして、電圧検出部の感度を向上できる。なお、図９に示した電極部１０６ｂの形状変更と、絞り１０７に示されるセパレータ流路の断面積縮小とは、いずれか一方のみを実施するようにしてもよい。
【０１０１】
また、図７または図９において、触媒電極面積を幾何学的に変える代わりに、当該触媒電極（アノード極またはカソード極の少なくとも一方）の触媒担持量を少なくしても、同様な効果を得ることができる。即ち、電極触媒の担持量が少ないセルは、少ない触媒量で反応をまかなうため、電圧の低下が早く、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件にあるので、発電部より先に、電圧検出部に異常が発生しやすい。このため、発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できる。このようにして、電圧検出部の感度を向上できる。電圧検出部に係わる触媒担持量を減らす方法によれば、触媒として必要な貴金属量を低減できるので、コスト的にも好ましい。
【０１０２】
図７または図９において、触媒電極面積を幾何学的に変える代わりに、特にアノード極に係わる触媒電極部のルテニウム担持量を少なくすることによっても、同様な効果を得ることができる。即ち、アノード電極触媒のルテニウム担持量が少ないセルはＣＯ被毒を起こしやすく、その他の発電部と比べて常に厳しい運転条件にあるので、発電部より先に電圧検出部に異常が発生しやすい。このため、その他の発電部のセルより早い段階で異常の発生を検出できる。このようにして、電圧検出部の感度を向上できる。電圧検出部に係わる触媒担持量を減らす方法では、触媒として特殊な貴金属量を低減できるので、コスト的にも好ましい。
【０１０３】
図１０に、検出部あるいは燃料電池セルスタックの一部に設けた特殊セルに生じる異常を温度で検出する場合の例を示す。符号の１０８は温度計測手段であり、熱電対或いは半導体式、その他の温度センサを細いチューブ状の形状の中に配置したものである。当該チューブ状の形状は、セパレータ１０２に設けた孔へ挿入できるようにしたものである。当該チューブの先端の位置は、当該チューブ状形状の長さを調整することによって、セパレータ内のどの位置に配置するかを決めることができる。当該チューブの先端の位置に温度検出部を設けておけば、当該セパレータのどの部分の温度を計測するかが調整できる。燃料電池セルスタックの異常は、電圧だけでなく，温度の変化にも現れるので、これを検出するようにした。特に温度の異常な上昇は、安全のために回避すべきであるので、温度の直接計測によって、これを確実にしている。温度だけによる異常検知も可能であるが、電圧による異常検知と組み合わせれば、異常診断がより確実に行える。
【０１０４】
本実施形態に係わる電圧検出部では、当該電圧検出部の内部の構造や計測法の工夫によって、異常状態の検出精度を上げることができる。当該電圧検出部は、一例として、図６に示したような着脱可能な構造とすることもできる。当該電圧検出部のセルは、その他の発電部のセルよりも早い段階で異常を示すようにしているため、制御の方法によってはセル劣化が早い場合もあるが、着脱可能な構造であれば、発電部のセルはそのままにし、電圧検出部のみを独立して交換することができる。
【０１０５】
もっとも、異常の発生が極初期の段階で精度よく検出できれば、異常の回避のための制御も速やかに実施できるので、電圧検出部へ有意な劣化影響が現れる前に異常を除去することができ、これによれば、電圧検出部のセル劣化も抑制できる。一例として，本実施形態に係わる電圧検出部で、更に、当該電圧検出部より検出した電圧から所定周波数範囲の周波数成分を抽出し、当該周波数成分の大きさから、燃料電池セルスタックまたは当該燃料電池セルスタックを含むシステムの異常の有無を診断するようにすればよい。この場合、発電部のセルよりも早い段階で生じた電圧検出部の電圧の不安定現象を、特徴的な周波数成分を抽出することによって精度よく検出できるので、異常状態の早期検出において効果が大きい。加えて、周波数領域ごとに信号を分離して診断処理することで、異常原因の特定が容易になる。
【実施例３】
【０１０６】
図１１は、燃料電池発電システムを各家庭に配置する定置型分散電源に適用した場合の例である。符号の７００は定置型分散電源であり、本発明に係る燃料電池システムを少なくともその一部に含むものである。コージェネレーションシステムとしての運転を想定した。当該システムにおいて、改質器（水素製造装置）は、外部から供給されるガスと空気、それに燃料電池発電の結果として生じる純水或いは水道水から作られるイオン交換水などを原料として水素を製造する。原料であるガスには、メタンを主成分とする天然ガスや都市ガスなどを使用できる。プロパンガスやその他の燃料をボンベ等により供給するようにしてもよい。都市ガスを使用する場合には、付臭剤に含まれる硫黄成分が触媒を被毒することが知られているので、脱硫器を通して触媒反応部へ供給する。ここで、当該定置型分散電源に燃料電池を使用する場合の特長は、発電だけでなく、燃料電池排熱によって得られる温水を提供できる点にある。固体高分子形燃焼電池の場合、発電時の温度は７０〜８０℃程度であり、冷却水などを利用して燃料電池内部の温度を調節する。燃料電池の反応や内部抵抗などで生じる熱を冷却により回収することで温水が得られる。但し、外部から供給する水を燃料電池の冷却に直接使用すると、当該水に含まれる不純物によって燃料電池に悪影響を及ぼす場合があるので、そうした場合には熱交換機能を有する手段を用いて、外部から供給する水を間接的に昇温すればよい。昇温された温水は、例えば５０〜６０℃くらいになるので、当該温水を貯湯槽に蓄えて使用すれば、台所や風呂あるいは手洗いで使用する温水を給湯器に代って提供できる。加えて、発電により得られた電力は、外部からの供給電力と併せて家庭内の様々な電化製品の駆動に使用できるので、外部からの供給電力量を削減できる。もちろん、充分な発電容量があれば、外部からの供給電力なしに電力を賄うことができる。
【０１０７】
外部から供給する水の温度が低くて昇温が充分でない場合、あるいは貯湯槽内の水温が低下する場合には、別途加熱手段を設けてもよい。当該加熱手段は、例えば、外部から供給される原料ガスの一部を燃焼させて水を昇温するようにできる。加熱量や温水の流速を調節するフィードバック制御などにより、供給水温を所定温度に昇温維持できる。市販のガス追い焚き器と組み合わせて同様のシステムを構成してもよい。
【０１０８】
本発明に係る燃料電池発電システムを家庭用定置型分散電源に適用する場合には、燃料電池および燃料電池システムの異常診断において、モニタ個所を減らしても必要な検出情報を得ることができるため、コンパクトな構成でコストを低く抑えながら、異常の早期検出と適切な回避制御によって、家庭用システムに期待される長期寿命の確保を容易にできる。
【０１０９】
本発明に係わる燃料電池システムでは、電圧の変化を精度よく、且つ速やかに検知し、異常診断した後、当該異常状態を速やかに回避するフィードバック制御をすることで、燃料電池セルスタックを含むシステムの状態を正常な状態に回復させ、電圧検出部を含む燃料電池セルスタック全体の特性劣化を抑制することができる。特に、電圧検出部１にあっては、異常を検知しやすくする配置（実施例１）や構成（実施例２）を採る場合があるが、上記のように精度よい異常検知の後、速やかに当該異常状態を回避するフィードバック制御を実施すれば、電圧検出部１に発生した異常が極小さい段階で、これを正常な状態に回復できるので、短期間での有意な劣化をなくすことができる。つまり、適正なフィードバック制御を組み合わせることによって、異常検出部の感度を上げながら、当該検出部の特性劣化を抑制するようにできる。この場合、当該電圧検出部で異常が発生し始めた段階では他の発電部に殆ど異常は生じないようにしているので、燃料電池セルスタック全体の劣化もない。
【０１１０】
ここで，異常診断に基づく具体的な制御には、以下のような方法がある。
【０１１１】
まず、電圧検出部の診断用電圧Ｖｄを処理して異常の発生を診断し、これを検知した場合、燃料電池セルスタック１００の電流制御量を速やかに下げるようにする。当該電流値を下げることによって、燃料電池セルスタック１００の燃料利用率が相対的に下がるので、異常の発生とともに、当該セルスタックの劣化につながる負担を速やかに軽減し、システムの運転を安定に継続できる。これにより、長寿命のシステム運転ができるようになる。
【０１１２】
上記電流量に係わる制御は、所定時間の間、実施するようにし、所定時間の後には元の電流量へ戻すようにしてもよい。或いは、当該制御の後、異常状態が回避されたことを診断して、もとの電流量へ戻すようにしてもよい。
【０１１３】
上記方法において電流制御量を下げる理由は、次のとおりである。実用システム運転においては、例えば、改質器からの供給ガス組成或いは流量が適正でなくなった場合、セルスタック内に水が滞留した場合、電解質膜を介したガスリーク量（クロスリーク）が増えた場合、セルスタックの電極触媒が被毒した場合や劣化した場合など、種々の異常状態が想定される。これらの異常に対して、供給ガス組成や流量が適正でなくなった場合であれば、正味の水素供給量が減るため電流を下げる必要があり、セルスタック内に水が滞留した場合であれば、ガスの流れや拡散が水によって阻害され、当該セルスタック内部に局所的に水素が供給されなくなる部分が生じるので、電流を下げることが望ましい。また、電解質膜を介したガスリーク量（クロスリーク）が増えた場合であれば、実効的に発電に寄与する水素量が減るため電流を下げる必要があり、セルスタックの電極触媒が被毒した場合や劣化した場合であれば、発電に寄与する触媒が減るため電流を下げることが望ましい。このように、異常を示す多くの場合において電流量を規程の設定値より下げることによって、当該セルスタックを著しく劣化させる運転状態を速やかに回避できるからである。
【０１１４】
異常が検知された場合、システムのフィードバック制御として、まず緊急避難的に燃料電池セルスタックの電流を所定量下げ、しかる後に、診断された異常原因に従って、異常回避のための個々のフィードバック制御を実施するのがよい。燃料電池セルスタックの電流制御に続いて実施する異常回避のためのフィードバック制御は、具体的には各システムの構成に依存するが、例えば、改質器の改質部温度が適正でない場合であれば投入原燃料量を変更する方法があり、冷却水系の熱回収量が適正でない場合であれば、当該冷却水系の水循環量を変更するなどの方法がある。
【０１１５】
診断された異常原因が、例えば、改質器の温度異常による場合などでは、燃料電池セルスタックの電流を下げ過ぎると、むしろ当該改質器への戻り水素量が増えてシステム運転が不安定になることがある。こうした場合には、当該診断結果をもって燃料電池セルスタックの電流下げ量を相対的に小さくするように、異常診断の結果を電流制御に適正に反映することができる。逆に、改質器の燃焼器温度が上がりすぎるような場合には、上記電流量を増やすことで、当該燃焼器への戻り水素量を相対的に減少でき、熱バランスの回復を促すことができる。もちろん，電流量を変えることが望ましくない場合は、変えないようにしてもよい。
【０１１６】
異常の原因を詳細に特定するために、本発明に係わる異常診断結果とともに、改質器、補機或いはその他の部分から別途検知した温度や圧力などの情報を合わせて参照するようにしてもよい。一例として、電圧検出部１の電圧に改質ガス組成の変化に伴う特有の振動周波数成分が発生する場合には、改質ガス中のＣＯ濃度異常が疑われるので、まず燃料電池セルスタックの電流量を下げる制御を実施する。この際、更に改質器のＣＯ酸化除去部の温度を参照して、これが適正な温度域からはずれかかっているような場合には、以上の情報を総合して、ＣＯ酸化除去部の反応が適正でなくなりつつあると判断し、ＣＯ酸化除去部への供給空気量や供給水量を異常状態が回復する方向へ増加あるいは減少させ、安定な運転状態（正常な状態）に回復するように促す。上記判断においては、電圧検出部の電圧の直流成分がドリフトするか否かといった情報を更にあわせて判断するようにしてもよい。
【０１１７】
以上のように、本発明に係わる燃料電池システムを適用した家庭用定置型分散電源において、燃料電池セルスタックあるいはシステムの異常が診断により検知された場合、当該燃料電池から取り出す電流値を、制御によって所定量変更することで、当該セルスタックの劣化につながる負担を速やかに軽減し、システムの運転を安定に継続できる。また、検知された異常原因ごとに上記電流量を適正に設定するようにできる。上記電流量の制御を所定時間のあいだ実施する場合においては、当該所定時間の長さについても、検知された異常原因ごとに適切な値を設定するようにできる。
【０１１８】
図１２に、家庭用などに用いられる燃料電池コージェネレーションシステムの構成と制御系の概要を模式的に示す。燃料電池スタックには改質器から水素が供給される。また、インバータなどのパワーコンディショナ(パワコン)でユーザ負荷に必要な電力が取り出される。改質器は、その改質方式ごとに種々の原燃料を供給し、当該原燃料から触媒反応などによって水素含有ガス(改質ガス)を生成する。図では、原燃料などの供給補機類をまとめて、供給手段として示した。パワコンは，一例として、燃料電池スタックから取り出す電流の値を制御していると思ってよい。パワコンは、また燃料電池の発電量が不足する場合に系統から電力をもらうようにするなど、電力マネジメントを担っている。燃料電池スタックには、上記のほかに空気が供給され、発電をする。発電の際に生じた熱は、例えば冷却水などを循環させる熱回収手段によって回収され、発電時のスタック温度がほぼ一定になるようにしている。回収された熱は、熱交換器を介して水道水を昇温するようにできるので、湯として供給したり、蓄えたりすることができる。なお、図では省略しているが、燃料電池スタックで消費されずに残った水素は、再び改質器へ戻され、燃焼させて反応に必要な温度を維持するようにすることができる。
【０１１９】
図１２では、制御手段に送受信される信号を模式的に点線で示した。実際のシステムではより多くの信号が用いられる場合があるが、図では簡単のために一部を抽出して示した。信号Ａは、スタックの電圧検出部などから得られた診断のための信号である。信号Ｂは、パワコンの状態を監視したり、パワコンの制御電流量を設定するための信号である。信号Ｃは、バルブ類や補機類を制御したり、改質器の温度を検出したりするための信号である。信号処理手段８については、制御手段の一部として構成する場合を示した。
【０１２０】
本発明に係わる異常診断を適用した燃料電池システムにおいては、一例として、信号Ａに基づいて異常診断のための信号処理をし、その結果、異常があると診断された場合は、信号Ｂによって、パワコンの制御電流量を減らすようにできる。これによって、燃料電池スタックが水素不足の状態にならないようにできるので、異常状態の回復まで燃料電池の劣化を抑制でき、長期間の安定運転ができる。
【０１２１】
パワコンの制御電流量が減ると、改質器への戻り水素量が増えるため、改質器への原燃料供給量を変化させた方が好ましい場合もある。そのような場合には、信号Ｃによって、パワコンの制御電流量の変化分にあわせて、改質器への供給原燃料量を制御するようにしてもよい。異常診断の結果、異常原因を特定したり、或いは絞り込みができれば、上記電流制御に続いて、当該原因ごとに、回復のための最適な制御を信号Ｃなどによって実施するようにできる。
【０１２２】
本発明に係わる燃料電池システムおよび異常診断方法は、家庭用以外の燃料電池システムに適用してもよい。家庭用の場合と同様に、コンパクトな構成で、コストを低く抑えながら、異常の早期検出と適切な回避制御によって、安定運転の継続を容易にできると共に、上記電流量に係わる制御を併用する場合にあっては、異常の検知と共に燃料電池セルスタックの劣化につながる負担を速やかに軽減し、システムの運転を安定に継続できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の実施例に係わる燃料電池セルスタックと診断用電圧検出部を示した模式図である。
【図２】電圧検出部を燃料電池セルスタックの中ほど二箇所に設けた場合の説明図である。
【図３】検出対象とする代表的な周波数の設定方法の一例を示す説明図である。
【図４】電圧検出部の具体的な構成例を説明するフレーム図である。
【図５】電圧検出部の具体的な構成例を説明する別のフレーム図である。
【図６】電圧検出部の具体的な構成例を説明するまた別のフレーム図である。
【図７】本発明の他の実施例に係わる燃料電池セルスタックの診断用電圧検出部を説明した模式図である。
【図８】一体型ＭＥＡの断面構造例を示した図である。
【図９】電圧検出部の感度を向上させる別の構成例を示す斜視図である。
【図１０】電圧検出部あるいは燃料電池セルスタックの一部に設けた特殊セルに生じる異常を温度で検出する場合の説明図である。
【図１１】本発明の実施例に係わる燃料電池発電システムを各家庭に配置する定置型分散電源に適用した場合の説明図である。
【図１２】家庭用などに用いられる燃料電池コージェネレーションシステムの構成と制御系の概要を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１…電圧検出部、２ａ…電圧検出用の端子（電圧検出手段）、３ａ…出力端子、４…直流成分を検出する直流成分検出ライン、５ａ…予め定めた特定の周波数成分を検出する交流成分検出ライン、６ａ…特定の周波数成分を検出するための手段(一例としてバンドパスフィルタ)、７ａ…増幅手段（一例として交流増幅回路）、８…信号処理手段、１００…燃料電池セルスタック、１０１ａ…端板、１０２…セパレータ、１０３ａ…集電板、１０４…発電部、１０５…一体型ＭＥＡ、１０６ａ…電極部、１０７…絞り、１０８…温度計測手段、２００…改質器、３００…改質器制御手段、３０１…制御信号、５０１…マニホルド、５０２…ＭＥＡ本体、５０３…ガスケット、５０４…ガス拡散層、７００…定置型分散電源。
【図１】
2006107937.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006107937.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2006107937.tif 000009
【図８】
2006107937.tif 000010
【図９】
2006107937.tif 000011
【図１０】
2006107937.tif 000012
【図１１】
2006107937.tif 000013
【図１２】
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