(57)【要約】      （修正有）【課題】積算発電時間や発電回数により燃料電池の発電電圧は低下するが、電圧の低下量が通常発生する適切なものか、異常により適切でないかの区別ができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルを複数個積層したセルスタック３８と、前記燃料電池セルの電圧を測定する電圧測定部７２と、前記セルスタックから発生する電流を取り出す電力回路部７３と、制御部７４とを有し、制御部７４はあらかじめ定められた電圧値と電圧測定部７２により測定された電圧値と比較し、電圧測定部７２により測定された電圧値があらかじめ定められた電圧値よりも低い場合は異常と判断する燃料電池発電装置であって、あらかじめ定められた電圧値は燃料電池発電装置の積算発電時間、起動停止回数および起動後発電時間の少なくとも１つの情報により変化する燃料電池発電装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルを複数個積層したセルスタックと、前記燃料電池セルの電圧を測定する電圧測定部と、前記セルスタックから発生する電流を取り出す電力回路部と、制御部とを有し、前記制御部はあらかじめ定められた電圧値と前記電圧測定部により測定された電圧値と比較し、前記電圧測定部により測定された電圧値があらかじめ定められた電圧値よりも低い場合は異常と判断する燃料電池発電装置であって、あらかじめ定められた電圧値は燃料電池発電装置の積算発電時間、起動停止回数および起動後発電時間の少なくとも１つの情報により変化する燃料電池発電装置。
【請求項２】
制御部によるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかの判断は、積算発電時間に対して対数関係となることより計算された電圧をあらかじめ保持しており、あらかじめ保持された値との比較することを特徴とした請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
制御部によるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかの判断は、起動停止回数に対して対数関係となることより計算された電圧をあらかじめ保持しており、あらかじめ保持された値との比較することを特徴とした請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
制御部が適切な値かどうかを判断する電圧は、発電開始から一定時間以内であることをとする特徴とする請求項１〜３記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルを複数個積層したセルスタックと、前記燃料電池セルの電圧を測定する電圧測定部と、前記セルスタックから発生する電流を取り出す電力回路部と、制御部とを有し、前記燃料電池セルの初期電圧をE0とし、積算発電時間をＴとした場合、複数の積算発電時間Tn（nは１以上の整数）で計測される電圧ETn（nは１以上の整数）から、
【数１】
2008098076.tif 000022
を用いて初期電圧E0と係数Aを計算し、係数Aが所定の範囲を超えて変化すると異常と判断する燃料電池発電装置。
【請求項６】
燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルを複数個積層したセルスタックと、前記燃料電池セルの電圧を測定する電圧測定部と、前記セルスタックから発生する電流を取り出す電力回路部と、制御部とを有し、前記燃料電池セルの初期電圧をE0とし、起動停止回数をNとした場合、複数の起動停止回数Nk（kは１以上の整数）で計測される電圧ENk（kは１以上の整数）から、
【数２】
2008098076.tif 000023
を用いて初期電圧E0と係数Bを計算し、係数Bが所定の範囲を超えて変化すると異常と判断する燃料電池発電装置。
【請求項７】
燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルを複数個積層したセルスタックと、前記燃料電池セルの電圧を測定する電圧測定部と、前記セルスタックから発生する電流を取り出す電力回路部と、制御部とを有し、前記燃料電池セルの初期電圧をE0とし、発電後経過時間をtとした場合、複数の発電後経過時間tl（lは１以上の整数）で計測される電圧Etl（lは１以上の整数）から、
【数３】
2008098076.tif 000024
を用いて初期電圧E0と係数Cを計算し、係数Cが所定の範囲を超えて変化すると異常と判断する燃料電池発電装置。
【請求項８】
燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルを複数個積層したセルスタックと、前記燃料電池セルの電圧を測定する電圧測定部と、前記セルスタックから発生する電流を取り出す電力回路部と、制御部とを有し、前記燃料電池セルの初期電圧をE0とし、複数の積算発電時間をTn（nは１以上の整数）とし、複数の起動停止回数をNk（kは１以上の整数）とし、複数の発電後経過時間をtl（lは１以上の整数）とした場合で計測される電圧E(TnNktl)は、
【数４】
2008098076.tif 000025
を用いて初期電圧E0と係数A、BおよびCを計算し、係数A、BおよびCが所定の範囲を超えて変化すると異常と判断する燃料電池発電装置。
【請求項９】
異常と判断すると、運転の条件を1回または複数回変化させることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器、電気自動車、家庭用コージェネレーションシステム等に使用される燃料電池発電装置に関し、セルスタックの発電電圧から寿命推定および異常の有無を判定する燃料電池発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池発電装置は、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
【０００３】
燃料電池発電装置では、発電運転の際、その発電部の本体として配設される燃料電池セルを複数個積層したセルスタックに、燃料ガスと酸化剤ガスとが各々供給される。すると、セルスタックでは、その供給される燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが用いられて、所定の電気化学反応が進行する。この電気化学反応の進行により、水素及び酸素が有する化学的なエネルギーが、電気的なエネルギーと熱的なエネルギーに変換される。これにより、燃料電池発電装置は、負荷に向けて電力を出力する。
【０００４】
以下、従来の燃料電池発電装置の構成及び動作について概説する。図４で燃料電池発電装置を説明する。外筐体３１に燃料電池発電装置が納められている。ブロワ３９は第１の酸化剤ガスを供給する経路を構成する吸気管４０を通してセルスタック３８に導く。ガス清浄部３２は原料ガスから燃料電池に悪影響を与える物質を除去し、原料ガス配管３３を介して外部から燃料ガスを導き、清浄ガス配管３６を介して燃料生成器３５へガスを導く。原料入り口弁３４は原料ガスの流れを制御する。燃料生成器３５には原料ガスの他、燃料生成水供給ポンプ９０より、燃料生成水配管９１を介して、燃料生成水と、酸化ポンプ９２より、選択酸化ガス配管９３を介して選択酸化ガスが供給される。燃料生成器３５では（化１）、（化２）に示す反応等により、水素と二酸化炭素（以降、ＣＯ２と称する）および一酸化炭素（以降、ＣＯと称する）が生成し、一酸化炭素は、（化３）に示されるようなシフト化反応と（化４）に示されるような一酸化炭素選択酸化反応により、一酸化炭素を除去することにより、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。
【０００５】
【化１】
2008098076.tif 000003
【０００６】
【化２】
2008098076.tif 000004
【０００７】
【化３】
2008098076.tif 000005
【０００８】
【化４】
2008098076.tif 000006
【０００９】
燃料生成器３５から燃料ガスの供給経路を形成する燃料ガス配管３７には、酸化ガスポンプ９２から供給される第２の酸化剤ガス供給配管９４はつながっており、燃料ガスと第２の酸化剤ガスの混合ガスがセルスタック３８に導かれる。燃料ガス中の水素はセルスタック３８のアノード極で（化５）に示す反応をおこない、空気を例とする酸化剤ガス中の酸素はカソード極で（化６）に示す反応をおこない、セルスタック全体としては（化７）に示す反応となり、電子が外部回路を通過する際に電気として、反応の際に発生する熱とともに利用される。
【００１０】
【化５】
2008098076.tif 000007
【００１１】
【化６】
2008098076.tif 000008
【００１２】
【化７】
2008098076.tif 000009
【００１３】
水素イオンと酸素と電子が反応し水が生成するカソード極は電極触媒として白金（以降、Ｐｔと称する）が使用され、水素分子が水素イオンと電子に分解するアノード極は電極触媒としてＰｔの他、白金とルテニウムの合金（以降、Ｐｔ−Ｒｕと称する）が使用されている。アノード極にＰｔ−Ｒｕを用いるのは、燃料ガス中に含まれるＣＯの被毒による活性の低下を軽減させるためである。第２の酸化剤ガスは燃料ガス中に含まれるＣＯやセルスタック３８中で生成するＣＯにより、アノード極に吸着したＣＯを酸化させ、被毒による性能低下を防ぐ効果がある。セルスタック３８で使用されなかった第１の酸化剤ガスは排出経路を構成するカソードオフガス管４４を通り加湿器４１に送られる。加湿器４１はカソードオフガス管から送られてきたガス中の熱と水分を、吸気管４０から送られてきたガスに移動させ、セルスタック３８に流入するガスの加湿をおこなう。カソードオフガス管４４から加湿器４１に流れたガスは、排気管４５より燃料電池発電装置の外に排出する。セルスタック３８で利用されなかった燃料ガスは燃料ガスの排出経路を形成するアノードオフガス管４８により再び、燃料生成器３５に流れ込む。アノードオフガス管４８からのガスは燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。電力回路部７３はセルスタック３８から電力を取り出し、制御部７４はガスや電力回路部７３などを制御する。冷却水循環ポンプ５２は冷却水入り口配管５３からセルスタック３８の水経路に水を流す。セルスタック３８を流れた水は冷却水出口配管５４から外部に運ばれる。セルスタック３８を水が流れることにより、発熱したセルスタック３８を一定の温度に保ちながら、発生した熱を燃料電池発電装置外部で利用できるようになるのである。燃料電池発電装置は燃料電池セルからなるセルスタック３８と、ガス清浄部３２と、燃料生成器３５と、電力回路部７３と、制御部７４とより構成されている。
【００１４】
燃料電池発電装置は、長期に渡って発電運転が継続される場合や、発電運転の起動と停
止とが繰り返される運転（以下、ＤＳＳ運転と称する）の場合、電極を校正するＰｔ触媒やＰｔとＲｕの合金触媒が溶出や析出などを起こし、触媒面積が減少し電圧が低下する。そのため、起動停止の方法を工夫し触媒面積の低下速度を抑えたり、ある程度の面積低下を見込んで、初期のＰｔ量を調整したりしている。
【００１５】
しかしながら、燃料電池発電装置は様々な部品からできており、いずれかの部品に不具合などが発生すると、燃料電池セルは所定の発電ができなくなる。場合によっては、燃料電池発電装置に不可逆的なダメージを与え、場合によっては発電ができなくなることがある。
【００１６】
そのため劣化を診断する方法が提案されてきた。セルスタックの電流を変化させた際の電圧の変化を計測し、あらかじめさだめられた出力時の電流値との電流余裕値が所定よりも小さくなると劣化と判断する燃料電池発電装置とそのセルスタックの劣化診断方法（例えば、特許文献１参照）、ガス量を変化させて電流・電圧特性を求め劣化を推定する方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−３５７５２６号公報
【特許文献２】特開２００４−１６４９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上述した従来の提案では、診断時のセルスタックの発電能力が低下していることがわかるが、所定の低下であるか異常な低下であるかの区別をすることができないので、異常が発生していた場合も発電能力が一定以上低下するまでは発見することができず、場合によっては異常を発見したときには既に不可逆的なダメージを受けていることがあった。また、異常を判断した場合に、以上の程度により運転条件などでダメージを受けることを回避することができなかった。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされてものであり、燃料電池発電装置の積算発電時間、起動停止回数および起動後発電時間のいずれかまたは全部を用い、計測されるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかを判断する燃料電池発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池発電装置の積算発電時間、起動停止回数および起動後発電時間のいずれかまたは全部を用い、計測されるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかを判断することを特徴とした燃料電池発電装置とすることにより、発揮される発電能力が過去の運転条件に鑑み異常であるか異常でないかの判断をおこなうため、不可逆的なダメージを受ける前に早期に異常が検出できるのである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池発電装置の積算発電時間、起動停止回数および起動後発電時間のいずれかまたは全部を用い、計測されるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかを判断するため発電能力が大きく低下する前に異常を検出することができ、不可逆的なダメージを受ける前に対応できるため、高い発電効率を長期間維持できる燃料電池発電装置が実現できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
第１の発明は、原料ガスから燃料ガスを生成する燃料生成器と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルと、燃
料電池セルを複数個積層したセルスタックと、燃料電池セルの電圧を測定する電圧測定部と、セルスタックから発生する電流を取り出す電力回路部と、燃料生成器やセルスタックや電力回路部を制御する制御部を有する燃料電池発電装置において、制御部は燃料電池発電装置の積算発電時間、起動停止回数および起動後発電時間のいずれかまたは全部を用い、計測されるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかを判断することによって、発電特性が大きく変化する前に劣化や異常を検出することができ、早期に対応を行うことができるので、耐久性に優れた燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００２２】
第２の発明は、特に、第１の発明の制御部によるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかの判断を、積算発電時間に対して対数関係となることより計算された電圧をあらかじめ保持しており、あらかじめ保持された値と計測された値との比較より適性または適正ではないと判断することにより、発電初期の電圧低下が大きい特徴などを考慮した適切な判断を行うことができるため、より正確に劣化や異常の有無を検出でき、より耐久性に優れた燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００２３】
第３の発明は、特に第１の発明の制御部によるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかの判断は、起動停止回数に対して対数関係となることより計算された電圧をあらかじめ保持しており、あらかじめ保持された値との比較より適正または適性でないと判断することにより、起動停止回数が少ない時には電圧低下が大きい特徴などを考慮した適切な判断を行うことができるため、より正確に劣化や異常の有無を検出でき、より耐久性に優れた燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００２４】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の燃料電池発電装置で、制御部が適切な値かどうかを判断する電圧は、発電開始から一定時間以内であることをとすることにより、発電開始から電極の酸化が発生し急速に電圧が変化することによる影響を受けずに、正しく発電電圧が適切かどうかの判断を行うことができるので、より高耐久な燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００２５】
第５の発明は、特に第1の発明で積算発電時間からの制御部によるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかの判断は、初期電圧をE0とし、積算発電時間をＴとした場合、複数の積算発電時間Tn（nは１以上の整数）で計測される電圧ETn（nは１以上の整数）から、（数１）を用いて初期電圧E0と係数Aを計算し、係数Aが所定の範囲を超えて変化すると、適正ではないと判断することにより、各燃料電池発電装置の特性や使用実態にあった判断ができるので、より高耐久な燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００２６】
【数１】
2008098076.tif 000010
【００２７】
第６の発明は、特に第1の発明で起動停止回数からの制御部によるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかの判断は、初期電圧をE0とし、起動停止回数をNとした場合、複数の起動停止回数Nk（kは１以上の整数）で計測される電圧ENk（kは１以上の整数）から、（数２）を用いて初期電圧E0と係数Bを計算し、係数Bが所定の範囲を超えて変化すると、適正ではないと判断することにより、各燃料電池発電装置の特性や使用実態にあった判断ができるので、より高耐久な燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００２８】
【数２】
2008098076.tif 000011
【００２９】
第７の発明は、特に第1の発明で発電後経過時間からの制御部によるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかの判断は、初期電圧をE0とし、発電後経過時間をtとした場合、複数の発電後経過時間tl（lは１以上の整数）で計測される電圧Etl（nは１以上の整数）から、（数３）を用いて初期電圧E0と係数Cを計算し、係数Aが所定の範囲を超えて変化すると、適正ではないと判断することにより、各燃料電池発電装置の特性や使用実態にあった判断ができるので、より高耐久な燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００３０】
【数３】
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第８の発明は、特に第1の発明で積算発電時間と起動停止回数と発電後経過時間による制御部によるセルスタックの電圧が適正な値であるかどうかの判断は、初期電圧をE0とし、複数の積算発電時間をTn（nは１以上の整数）とし、複数の起動停止回数をNk（kは１以上の整数）とし、複数の発電後経過時間をtl（lは１以上の整数）とし、Rをリカバリー上昇電圧とし、Jをリカバリー効果係数とした場合で計測される電圧E(TnNktl)は、（数４）を用いて初期電圧E0と係数A、BおよびCを計算し、係数A、BおよびCが所定の範囲を超えて変化すると、適正ではないと判断することにより、様々な運転条件でも各燃料電池発電装置の特性や使用実態にあった判断ができるので、より高耐久な燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００３１】
【数４】
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【００３２】
第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の燃料電池発電装置で、発電特性が適正でないと判断すると、運転の条件を1回または複数回変化させることにより、発電特性が適切でなくとも適切となる発電条件に変更するなど、大きなダメージを与えることなく発電を継続させ、発電量の維持と高耐久を両立する燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３４】
（実施の形態１）
図１、図２および図３を用い、実施の形態１を説明する。
【００３５】
図１は燃料電池発電装置の構成図である。燃料電池発電装置は外筐体３１に納められている。外部から原料ガス配管３３から取り入れられた原料ガスは燃料電池に悪影響を与える物質を除去するガス清浄部３２で清浄化された後、清浄ガス配管３６を介して燃料生成器３５に導かれる。原料ガス配管３３の経路中には原料入り口弁３４が設けられており、原料ガスの流れを制御する。燃料生成器３５は、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。燃料ガスは燃料生成器３５から燃料ガス配管３７を介してセルスタック３８に導かれる。セルスタック３８は、図２で示された燃料電池セル（以降、単セルと称する）を積層し、図３で示すようにセルスタックとしたものである。燃料ガス配管３７中にはアノード入り口三方弁５０が配置されており、セルスタック３８にガス清浄部３２で清浄化された後バイパス管４７を介して流れ込むガスを、原料ガスとするのか、燃料生成器３５からの燃料ガスとするのか、あるいはガスが流れないように封止するのかを切り替える。燃料生成器３５で使用する水は冷却水タンク５１内の水を燃料生成水供給ポンプ９０により供給される。燃料生成器３５で使用する酸素を含む空気は、酸化ポンプ９２より
、選択酸化ガス配管９３を介して選択酸化ガスが供給される。燃料生成器３５から燃料ガスの供給経路を形成する燃料ガス配管３７には、酸化ガスポンプ９２から供給される第２の酸化剤ガス供給配管９４はつながっており、燃料ガスと第２の酸化剤ガスの混合ガスがセルスタック３８に導かれる。酸化ガスポンプ９２は選択酸化ガス供給手段と第２の酸化剤ガス供給手段を兼ねている。選択酸化ガス配管９３と第２の酸化剤ガス供給配管９４には、それぞれ選択酸化ガス調整弁９５と第２の酸化剤ガス調整弁９６が配置されており、各弁を流れるガスの量を調整する。
【００３６】
第１の酸化剤ガスとしての空気は第１の酸化剤ガス供給手段であるブロワ３９により、外部から吸気管４０を通して加湿器４１で加湿された後、加湿空気管４２を介してセルスタック３８に流される。加湿空気管４２にはカソード入り口封止弁４３が配置されている。セルスタック３８で使用されなかった第１の酸化剤ガスの排出経路を形成するカソードオフガス管４４を介して加湿器４１に流される。ここで熱と水分をブロワ３９から導かれる空気と交換し、排気管４５から燃料電池発電装置の外に排出される。カソードオフガス管４４の経路中には、カソード出口封止弁４６が配置されている。セルスタック３８で使用されなかった燃料ガスはアノードオフガス管４８により再び、燃料生成器３５に流れ込む。アノードオフガス管４８からのガスは燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。アノードオフガス管４８中にはアノード出口封止弁４９が配置されている。
【００３７】
冷却水タンク５１には水が保持されており、冷却水循環ポンプ５２の動作により、冷却水タンク５１に保持されている水は、冷却水入り口管５３を介してセルスタック３８に流される。燃料電池の発電に伴う発熱は冷却水によって持ち運ばれる。セルスタック３８により温度が上昇した冷却水は冷却水出口配管５４より、冷却水三方弁５５に導かれる。冷却水三方弁には冷却水タンクにつながる冷却水戻り配管５６と熱交換器５７につながる熱交入り口配管５８が接続されている。熱交換器５７には温水入り口配管６１と温水出口配管６２が接続されており、外部に設置した貯湯タンクなどと接続され外部で燃料電池で発生する熱を利用できるようにしている。熱交換器５７で熱を交換した冷却水は熱交出口配管５９を介して冷却水タンク５１に戻される。冷却水タンク５１中の冷却水の温度は冷却水温度センサー７１により計測される。
【００３８】
セルスタック３８の電圧はセルスタック３８に取り付けられている電圧計測端子２８を介して電圧測定部７２で計測され、電力はセルスタック３８の集電板２１ａと２１ｃに設けられている集電端子２７ａと２７ｃから電力回路部７３により取り出され、各種弁、ガスや電力回路部７３などは制御部７４で制御される。
【００３９】
次に、基本動作を説明する。まず停止状態から発電状態について説明する。原料入り口弁３４が開となり、原料ガス配管３３から原料ガスがガス清浄部３２に流れ込む。原料ガスとしては天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することが出来るが、本実施の形態としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンガスの混合ガスである都市ガスの１３ａを用いた。ガス清浄部３２としては、特にＴＢＭ(ターシャリブチルメルカプタン)、ＤＭＳ(ジメチルサルファイド)、ＴＨＴ(テトラヒドロチオフィン)等のガス付臭剤の除去を行う部材を用いている。付臭剤などの硫黄化合物は燃料電池の触媒に吸着し、触媒毒となり反応を阻害するためである。燃料生成器３５では（化１）に示す反応等により、水素と二酸化炭素が生成される。
【００４０】
同時に進行する（化２）に示す反応により発生する一酸化炭素は、（化３）に示されるようなシフト化反応と酸化ポンプ９２により供給される選択酸化ガスにより（化４）に示されるような一酸化炭素選択酸化反応により、１０ｐｐｍ以下となるように除去される。
【００４１】
ここで、水を反応に必要な最低限量以上を入れると、水素と水分を含む燃料ガスが作成できる。酸化ポンプ９２からは第２の酸化剤ガス供給配管９４を通じて燃料ガスに第２の酸化剤ガスが混合される。本実施の形態に置いて発電開始時の第２の酸化剤ガスは、燃料ガス中の水素に対して１．５％となるようにした。アノード入り口三方弁５０を燃料生成器３５とセルスタック３８が通じるように開きアノード出口封止弁４９を開くと、燃料ガスは燃料ガス配管３７を介して燃料電池のセルスタック３８に流れ込む。これにより、燃料ガス側の電極の電位は０Ｖ（水素電極比）に保持され、燃料ガス中から電解質１を通過した水素が第１の酸化剤ガス側の電極の電位も低くする。これにより電極が酸化溶解することを確実に防ぐのである。次に、カソード入り口封止弁４３とカソード出口封止弁４６を開き、ブロワ３９を動作させると、第１の酸化剤ガスはブロワ３９により吸気管４０を介して加湿器４１で加湿された後、加湿空気管４２を通過しセルスタック３８に流れ込む。セルスタック３８に燃料ガスと第１の酸化剤ガスが流れ込むと電圧が発生する。制御部７４が電力回路部７３にセルスタック３８から電流を引くように制御すると、電流が流れ、同時に熱も発生する。
【００４２】
セルスタック３８を通過した燃料ガスはアノードオフガス管４８を通過し、燃料生成器３５に流れ込む。燃料生成器３５は（化１）で示される反応を起こすのであるが、本化学反応は吸熱反応であるため熱を与える必要がある。
【００４３】
アノードオフガス管４８から供給された燃料ガスは燃焼などにより（化１）の吸熱反応の熱として利用される。
【００４４】
セルスタック３８を通過した第１の酸化剤ガスはカソードオフガス管４４を通り、加湿器４１に流れ込み、加湿器４１でブロワから送られてくる第１の酸化剤ガスと熱と水分を交換した後、排気管４５により外部に排出される。加湿器４１として、温水中に第１の酸化剤ガスを流すものや、第１の酸化剤ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、本実施の形態では平膜式の全熱交換型を使用した。これは、排ガス中の水と熱が加湿器４１を通過する際に、吸気管４０から運ばれ原料となる第１の酸化剤ガス中に移動させるものである。
【００４５】
冷却水は、冷却水タンク５１から冷却水循環ポンプ５２より冷却水入り口配管５３から燃料電池セルスタック３８の水経路に流された後、冷却水出口配管５３から冷却水三方弁５５に水が運ばれる。冷却水三方弁５５は冷却水タンク中５１の冷却水の温度を計測する冷却水温度センサー７１の信号により、冷却水の温度が低いと判断される場合は、冷却水戻り配管５６に流れる量を増やし、温度の高い冷却水がより多く冷却水タンク５１に流れ込むようにする。冷却水の温度が高いと判断される場合は熱交入り口配管５８に流れる量を増やす。熱交入り口配管５８を流れた水は熱交換器５７で熱交換される。外部か温水入り口配管６１を通して水が流れ込み、熱交換器５７で加熱された後、温水出口配管６２で外部に熱を運び出し、給湯などに利用される。熱交換器５７で熱交換を行い温度が低下した冷却水は熱交出口配管５９を介して冷却水タンク５１に流れ込む。
【００４６】
セルスタック３８での発電は、電圧測定部７２で電圧が測定され、一定以上の電圧値を示すと十分発電が行われていると制御部７４が判断し、電力回路部７３により電力が取り出される。電力回路部７３ではセルスタック３８から取り出した直流の電力を、交流へと変換し、家庭等で利用されている電力線にいわゆる系統連携で接続される。制御部７４は燃料電池発電装置の他の部分の制御を最適に保つよう制御するものである。
【００４７】
セルスタック３８でのガスと水の流れおよび動作を図３を用いて説明する。燃料電池セルの電圧は通常0.75Ｖ程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧と成るようにしている。セルスタック３８から外部には一対の集電板２１ａと２１ｃから電流が取り
出され、一対の絶縁板２２ａと２２ｃによりセルと外部を電気的に絶縁され、一対の端板２３ａと２３ｃにより、セルを積層したスタックは締結され、機械的に保持される。第１の酸化剤ガスは端板２３ｃの上部に設けられた第１の酸化剤ガス入り口２４in（以降、カソード入り口と称する）と、冷却水入り口２６inが設けられており、下部には燃料ガス出口２５out（以降、アノード出口と称する）が設けられている。カソード入り口２４inが設けられた端板と対を形成する他方の端板の上部には燃料ガス入り口２５in（以降、アノード入り口と称する）が設けられており、下部には第１の酸化剤ガス出口２４out（以降、カソード出口と称する）と、冷却水出口２６outが設けられている。第１の酸化剤ガスカソード入り口２４inおよびアノード入り口２５inよりセルスタック３８に供給され、上部に配置されているマニホールドを介して、第１の酸化剤ガスはガスの入り口であるカソード入り口から近い燃料電池セルからガスの出口であるカソード出口に近い燃料電池セルに順次供給される。燃料ガスはガスの入り口であるアノード入り口から近い燃料電池セルからガスの出口であるアノード出口に近い燃料電池セルに順次供給される。
【００４８】
燃料電池セルの構成を図２を用いて説明する。燃料電池セルは、少なくとも水素を含む燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質１は水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用させる。電解質１の両面には、白金系や白金とルテニウムの合金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする電極４を密着して配置してある。この電極４ａで少なくとも水素を含む燃料ガスは（化５）に示す反応（以降、アノード反応と称する）が発生し、電解質１を介して移動した水素イオンは、酸化剤ガスと電極４ｃで（化６）に示す反応（以降、カソード反応と称する）により、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。
【００４９】
全体としては（化７）に示す反応が発生する。
【００５０】
水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図ではａを付け表し、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、図ではｃを付け表した。さらに触媒反応層２ａと２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層３ａと３ｃをそれぞれこれに密着して配置する。この拡散層３ａと触媒反応層２ａにより電極４ａを、拡散層３ｃと触媒反応層２ｃにより電極４ｃを構成する。
【００５１】
電極電解質接合体（以降、ＭＥＡと称する）５は、電極４ａと４ｃと電解質１とで形成している。ＭＥＡ５は、ＭＥＡ５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路６ａと６ｃをＭＥＡ５に接する面に形成した一対の導電性セパレータ７ａと７ｃを配置する。電解質１と、１対の電極４ａと４ｃと、一対のセパレータ７ａと７ｃで基本の燃料電池セル（以降、単セルと称する）を形成する。セパレータ７ａと７ｃにはＭＥＡ５とは反対の面に、隣のセルのセパレータ７ｃと７ａが接する。セパレータ７ａと７ｃが接する側には冷却水通路８が設けられており、ここに冷却水９が流れる。冷却水９はセパレータ７ａと７ｃを介してＭＥＡ５の温度を調整するように熱を移動させる。ＭＥＡ５とセパレータ７ａまたは７ｃはＭＥＡガスケット１１で封止され、セパレータ７ａと７ｃはセパレータガスケット１０で封止される。
【００５２】
電解質１には固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。電解質１には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには電解質１が水分を保持していることが必要である。電解質１は水分を含むことにより、電解質１内に固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化し、移動できるようになるからである。
【００５３】
単セルにおいてガスは、ガス流路６ａおよび６ｃは蛇行形状（いわゆるサーペンタイン形状）など様々な形状であるが、全体としては上部から下部の方向に流れ、その後、第１の酸化剤ガスおよび燃料ガスは各単セルから集められ、カソード出口２４outおよびアノード出口２５outからそれぞれ排出される。また、冷却水は冷却水入り口２６inからスタックに入り、上部に配置されているマニホールドを介して各冷却経路に供給され、冷却水出口２６outから排出される。単セルにおいては、冷却水経路８はストレート形状、蛇行形状など様々な形状があるが全体として水は上部から下部に向かって流れている。よって、燃料電池の発電・発熱中の冷却水は冷却水入り口２６inよりも、冷却水出口２６outの方が温度は高く、各単セルにおいても上部より下部の方が温度は高い傾向となる。
【００５４】
ガス流路６ｃに空気などの酸素含有ガスを、ガス流路６ａに水素を含む燃料ガスが流れる。燃料ガス中の水素は拡散層３ａを拡散し、アノードの電極４ａに達する。電極４ａで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは電解質１を透過しカソード側に移動しカソード電極４ｃに達する。空気などの第１の酸化剤ガス中の酸素は電極４ｃでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりＭＥＡ５の周囲で酸素含有ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。さらに反応時に熱が生成し、ＭＥＡ５の温度が上昇する。そのため冷却水経路８ａ、８ｃに水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流（電気）が発生するのである。電極４ｃは水素イオンと酸素分子から効率的に水を生成する必要があるため主に白金または白金とコバルトなどの合金を電極触媒として用いる。電極４ａには白金の他に、一酸化炭素による被毒を極力少なくするため白金とルテニウムの合金などが使用される。白金ルテニウム合金を電極触媒として使用した場合は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が１０ｐｐｍ程度であれば、第２の酸化剤ガスとして用いる空気の濃度が水素に対して０．７％以下で電極４ａに付着する一酸化炭素を十分酸化分解できるので、一酸化炭素による電圧の低下を防ぐことができる。第２の酸化剤ガス中に含まれ一酸化炭素の酸化に寄与しなかった余剰の酸化剤は燃料ガス中の水素と反応し水となる。過剰の第１の酸化剤ガスは燃料である水素を無駄に使用するのである。発電を長くおこなう、または発電の入り切り（以降、起動停止と称する）をたくさんおこなうと、触媒反応層中の白金とルテニウムの合金からルテニウムが溶出することが知られている。ルテニウム残留程度が少なくなって行くと、一酸化炭素の濃度が従来と同程度でも、従来と同程度の第２の酸化剤ガス濃度では十分に酸化分解できなくなるため、さらに高濃度の第２の酸化剤を必要とする。また、一酸化炭素濃度が高くなると第２の酸化剤ガス濃度も高くしなければ、電極４ａの金属触媒に付着した一酸化炭素を酸化分解できなくなる。そのため、第２の酸化剤ガスは供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度と電極４ａの劣化程度により必要とされる濃度が変化する。第２の酸化剤ガス濃度が相対的に低いと電極４ａに付着した一酸化炭素を十分酸化できず発電電圧が低下し、第２の酸化剤ガス濃度が相対的に高いと燃料ガス中の水素を発電に関与することなく無駄に消費し、発電効率を低下させてしまうのである。
【００５５】
次に、発電から停止の動作を説明する。まず、ブロワ３９が停止しカソード入り口封止弁４３とカソード出口封止弁４６が閉となりセルスタック３８の第１の酸化剤ガスの供給と排出の経路が封止される。次に、アノード入り口三方弁５０はガスをいずれの方向にも流れないように動作し、アノード出口封止弁４９を閉とする。セルスタック３８の燃料ガスの供給と排出の経路が封止される。この時ＭＥＡ５の微細状態を説明する。燃料ガス中の水素は非常に小さく拡散性が高いので、電解質１を介して第１の酸化剤ガス側へと移動する。電極４ｃの周りに到達すると触媒反応により酸素と反応し水が生成する。さらに多くの水素が電解質１を超えて第１の酸化剤ガス側に移動すると、電極４ｃの周りは水素におおわれる。これにより電極４ｃの電極電位は水素の電位となり、０Ｖ（水素電極比）となる。
【００５６】
封止された第１の酸化剤ガス経路中の酸素は電極４ｃ付近まで拡散し、次々に水素との反応により水へと変わって行く。電極４ａおよび４ｃの電位は停止中低く保つことができるので、電極が酸化溶解することが無く、寿命を長く保つことができるのである。燃料ガス経路中から水素が第１の酸化剤ガス経路中へと移動すると燃料ガス経路中の圧力が低下する。また、第１の酸化剤ガス経路中の酸素が水素と反応し液体の水となると第１の酸化剤ガス中の圧力が低下する。このときはそれぞれの経路に清浄ガス配管３６から清浄ガスを流入させ圧力の極端な低下を防止する。
【００５７】
発電時は、電極４ａと４ｃにおいて電気化学的反応が行われ、起動および停止時には電圧および電位の変化が発生する。特にアノードにおいてはＲｕの溶解などが発生するため一酸化炭素に対する被毒影響が大きく異なる。
【００５８】
発電を開始しようとすると制御部は、燃料生成器３５を動作し原料ガスから燃料ガスを作り出すように指示を出すなど、制御部７４は燃料電池発電装置の各部品の動作を制御する。燃料電池発電装置が完成されてから発電をおこなった積算の発電時間および発電の回数を記録すると同時に、発電を指示し実際に開始した時刻も記録し、発電中においてはその発電の回数内において発電が開始されてからの起動後発電時間を記録している。つまり、発電中のあるタイミングをとらまえた場合には、燃料電池発電装置完成から何回目の発電であるのか、積算の発電時間はいくらか、また前回の発電が終了して、今回の発電が開始されてからの起動後発電時間がいくらであるのかが分かるのである。
【００５９】
実験例１として燃料電池発電装置を起動し、発電を開始した後のセルスタック３８を構成する単セルの電圧の変化を図５に示す。（以降、単に電圧を称するときは単セルの電圧を示す。）図５（ａ）と図５（ｂ）は同じデータであるが、図５（ｂ）は横軸を対数で表したものである。起動後発電時間の経過と共に電圧が下がっている。これは電極４とくに電極４ｃに酸化物が付着することにより、活性が低下するからである。発電中のように電極電位が高くなると酸化が進行し、停止中のように電位が低くなると還元され酸化物が除去されるのである。本実験例からも分かるように起動後発電時間の対数に対して電圧の変化は直線となることが見いだされた。図５（ｂ）の近似線の式は電圧をE、発電後経過時間をtとした場合、（数５）となった。
【００６０】
【数５】
2008098076.tif 000014
【００６１】
なお、本発電においても積算発電時間が増加するため若干の電圧低下が発生していると思われるが、起動後発電時間経過による電圧変化に比べてきわめて小さいため、本実験例では影響が表れなかったと思われる。また、発電後例えば500時間以降など十分起動後発電時間が経過した場合は起動後発電時間による電圧変化量が十分小さくなるので、事実上無視しても問題がなくなる。よって、発電時間、発電回数および起動後発電時間が異なった場合の電圧を比べるときは起動後発電時間の影響が同じになるように、起動後発電時間が一定の間の一定時間以内のデータを比べるのか、起動後発電時間が十分に経過し影響が非常に小さくなった時のデータ同士を比べるのが良いが、短時間でデータを比べる必要がある時は、発電経過時間が一定の間、例えば起動後発電開始時間が1時間から1.5時間の間のデータを採用し、比べると積算発電時間または発電回数の影響を比べることができるのである。
【００６２】
実験例２として、起動後発電時間が一定時間以内の例として２４時間のデータを採用し、積算発電時間と電圧の関係を図６に示した。図６（ａ）と図６（ｂ）は同じデータであるが、図６（ｂ）は横軸を対数で表したものである。積算発電時間の経過と共に電圧が下
がっているが、図６（ｂ）のように横軸を対数とすると変曲点をもつ２つの直線からなることが分かる。最初の直線部分はＭＥＡなどの水分が安定するのに必要な時間であり、２つ目の直線部分が触媒の面積低下による電圧低下である。図６（ｂ）の近似線の式は電圧をE、積算発電時間をＴとした場合、（数６）となった。
【００６３】
【数６】
2008098076.tif 000015
【００６４】
実験例３として、起動後発電時間が一定時間以内の例として２４時間のデータを採用し、起動回数と電圧の関係を図７に示した。図７（ａ）と図７（ｂ）は同じデータであるが、図７（ｂ）は横軸を対数で表したものである。積算発電時間の経過と共に電圧が下がっているが、図７（ｂ）のように横軸を対数とすると変曲点をもつ２つの直線からなることが分かる。最初の直線部分はＭＥＡなどの水分が安定するのに必要な時間であり、２つ目の直線部分が触媒の面積低下による電圧低下である。図７（ｂ）の近似線の式は電圧をE、発電回数をNとした場合、（数７）となった。
【００６５】
【数７】
2008098076.tif 000016
【００６６】
このように積算発電時間や発電回数と電圧の関係も対数関係になった。これは触媒の反応面積に依存するからである。単セルの発電時の電圧は0.7〜0.8Ｖ程度であり、ある一定の発電をおこなおうとすると電流と電圧がほぼ決まる。電流密度iは電流値が決まると電極４ｃの面積sに依存する。電流密度iと電位差（電圧）ηの関係はtefelによりａとbを定数とし（数８）が提唱されている。
【００６７】
【数８】
2008098076.tif 000017
【００６８】
あるときの面積をs1、電圧をη1、別のときの面積をs2、電圧をη２としたときには、過電圧差つまり電圧低下は（数９）で示される。
【００６９】
【数９】
2008098076.tif 000018
【００７０】
つまり、触媒４ｃの面積変化で表されるからである。触媒４ｃの面積が一定の傾向、関数で変化するとき電圧も（数８）に従い対数関係となるのである。
【００７１】
本実施の形態では積算発電時間に対して対数関係となることにより計算された電圧を制御部７４にはあらかじめ入力されている。具体的には例として（数１０）に基づいて、積算発電時間に相当する電圧を入力されている。
【００７２】
【数１０】
2008098076.tif 000019
【００７３】
また、制御部７４が発電した際の電圧を適正であるまたは適正でないと判断するのは起
動後発電開始から12時間後とした。（数６）は起動後発電時間24時間の電圧を表す式であるので、起動後発電時間が12時間であれば、図５（ｂ）に従えば約４ｍＶ電圧が高くなるはずである。よって（数７）と（数１０）を比べると約８ｍＶ電圧が低いことになる。これは計測や運転条件の僅かなズレによる許容幅であり、許容幅を超えた電圧差が有るときに適正でないと判断するようにした。本制御方式は起動停止が比較的少なく、一度起動すると比較的長時間発電をおこなうため、電圧の低下が積算発電時間により有意に発生するときである。これにより、積算発電時間が少ないときはある程度大きな電圧変化でも適正であるとし、積算発電時間が多いときはある程度小さな電圧変化でも適正でないと判断できる。従来の閾値方式、たとえば0.74Ｖを下回ると劣化と判断する方法であると、積算発電後100時間以内に0.75Ｖ以下となっても異常は検出できず、さらに大きく劣化が発生し0.74Ｖを下回るまではわからず、異常を検出した場合にはすでに回復不可能なまで、劣化が進んでいることもある。また、異常がなくとも3000〜5000時間では0.74Ｖを下回るのであるが、従来の閾値方式では異常となってします。本法よれば3000〜5000時間では0.74Ｖを下回っても異常とは判断せず、100時間以内に0.75Ｖを下回ると確実に適正でないと判断できるので、早期に異常が検出でき、耐久性の高い燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００７４】
（実施の形態２）
燃料電池発電装置の構成、動作および制御は実施の形態１とほとんど同じである。異なる点は、制御部７４が適正でないと判断する内容である。
【００７５】
本実施の形態では発電回数に対して対数関係となることにより計算された電圧を制御部７４にはあらかじめ入力されている。具体的には例として（数１１）に基づいて、発電回数に相当する電圧を入力されている。
【００７６】
【数１１】
2008098076.tif 000020
【００７７】
また、制御部７４が発電した際の電圧を適正であるまたは適正でないと判断するのは起動後発電開始から６時間後とした。許容幅は約１０ｍＶである。本制御方式は積算発電時間が比較的短く、頻繁に起動停止を行うため、電圧の低下が起動停止により有意に発生するときである。従来の閾値方式、たとえば0.74Ｖを下回ると劣化と判断する方法であると、積算発電後10回以内に0.75Ｖ以下となっても異常は検出できず、さらに大きく劣化が発生し0.74Ｖを下回るまではわからず、異常を検出した場合にはすでに回復不可能なまで、劣化が進んでいることもある。また、異常がなくとも300〜500回では0.74Ｖを下回るのであるが、従来の閾値方式では異常となってします。本法よれば300〜500回では0.74Ｖを下回っても異常とは判断せず、10回以内に0.75Ｖを下回ると確実に適正でないと判断できるので、早期に異常が検出でき、耐久性の高い燃料電池発電装置が実現できるのである。
【００７８】
（実施の形態３）
燃料電池発電装置の構成、動作および制御は実施の形態１とほとんど同じである。異なる点は、制御部７４が適正でないと判断する内容である。
【００７９】
本実施の形態では起動後発電時間に対して対数関係となることにより計算された電圧を制御部７４にはあらかじめ入力されている。具体的には例として（数１２）に基づいて、起動後発電時間に相当する電圧を入力されている。
【００８０】
【数１２】
2008098076.tif 000021
【００８１】
また、制御部７４が発電した際の電圧を適正であるまたは適正でないと判断するのは、ある積算発電時間および起動回数時の起動後発電時間による電圧変化の量である。本制御方式は停止後起動を行った際の電圧の変化度合いからてきせつであるかどうかを判断するものである。起動直後は電圧が高く徐々に電圧が低下する。この時、ガス量や質などのトラブルが発生し、発電が適切でないため電圧が低下したのか、通常の起動後電圧低下であるのかを判断することにより、トラブルによる適切でない状態を早期に検出できる。従来の閾値方式、たとえば0.75Ｖを下回ると劣化と判断する方法であると、積算発電後1時間以内に0.76V以下となっても異常は検出できず、さらに大きく劣化が発生し0.75Ｖを下回るまではわからず、異常を検出した場合にはすでに回復不可能なまで、劣化が進んでいることもある。また、異常がなくともおよそ100時間で0.75Ｖを下回るのであるが、従来の閾値方式では異常となってします。本法よれば100時間で0.75Ｖを下回っても異常とは判断せず、起動後経過時間が早く電圧が大きく落ちると確実に適正でないと判断できるので、早期に異常が検出でき、耐久性の高い燃料電池発電装置が実現できるのである。  
【００８２】
（実施の形態４）
燃料電池発電装置の構成、動作および制御は実施の形態１とほとんど同じである。異なる点は、制御部７４が適正でないと判断する内容である。
【００８３】
本実施の形態では積算発電時間に対して対数関係となることにより計算された電圧を制御部７４にはあらかじめ入力されている（数１）に基づいて、複数の積算発電時間ETn(nは１以上の整数)から、初期電圧E0と係数Aを計算し、係数Aが所定の範囲を超えて変化すると適正でないと判断するものである。
【００８４】
実験の一例を図８に示す。
【００８５】
積算発電時間の第１として1000時間とした。この時の電圧が0.75Ｖであるので、ET1が0.75，Ｔ１が1000となる。第２として2000時間とした。この時の電圧が0.7４5Ｖであったため、ET2が0.745，T2が2000となる。これらの数値を（数１）に代入し計算すると、E0は0.7998、ａは0.0072と計算される。ここで第３として3000時間時の電圧が0.7４2Ｖであれば、第１から第３を用いて計算されるE0は0.8003、 ａは0.0073となり、第１と第２を用いて計算したときと殆ど変わらないので、適切な電圧の変化と判断できる。なお、本実施の形態ではE0とａの所定の範囲を0.01、0.001とした。
【００８６】
適切でない例として第１と第２は同じであるが、第３として3000時間時の電圧が0.74Ｖであれば、第１から第３を用いて計算されるE0は0.8118、ａは0.0089となり、第１と第２を用いて計算したときと大きく変化している。よって、通常の面積低下による電圧変化以上の変化が起きていると考えられるため、この場合はセルスタックの電圧が適正でないと判断できる。
【００８７】
なお、本実施の形態の燃料電池発電装置は制御部７４が以上であると検出すると、運転条件を変化させ電圧回復を行うこととしている。セルスタック３８に供給される燃料ガスおよび第１の酸化剤ガスの量はそのまままたは削減し、電力回路部７３に流れ込む電流値をガスの減少量以上に減少させる。つまり発電におけるガス利用率を減少させるのである。これにより発電電力量も減少するが、燃料生成器３５の運転状態などが変化し、セルスタック３８の劣化を防ぐことができる場合がある。さらに、第２の酸化剤ガス量を増加させるのも有効である。このように運転条件を変化させた後、更に積算発電時間の第４〜６
などと継続して、電圧変化を計測し、適正でない状態（異常）の解消が図れたのかどうかを観測し続ける。これは運転条件を一度変化した後、更に適切でない状態が解消されていないと判断した場合、さらに運転条件を変化させても良い。最終的には燃料電池発電装置の運転を停止する。この時、停止するだけでなく、装置上で表示手段により異常を示してもよいし、有線、無線による遠隔報知手段により、管理会社またはサービス会社などの別の場所へ異常を連絡しても良い。
【００８８】
また、本実施の形態では積算発電時間の第１として1000時間とした。図６にあるように、積算発電時間が短いところから発電を続けると、途中で対数近似時の傾きが変わる。通常の傾きの変化なのか、適切でない状態による傾きの変化なのかの区別が付かないため、第１として1000時間を本実施の形態では採用し、適切な状態では傾きが変わらない積算発電時間から計算を開始した。
【００８９】
（実施の形態５）
燃料電池発電装置の構成、動作および制御は実施の形態１とほとんど同じである。異なる点は、制御部７４が適正でないと判断する内容である。
【００９０】
本実施の形態では起動回数に対して対数関係となることにより計算された電圧を制御部７４にはあらかじめ入力されている（数２）に基づいて、複数の積算発電時間ETn(nは１以上の整数)から、初期電圧E0と係数Aを計算し、係数Aが所定の範囲を超えて変化すると適正でないと判断するものである。
【００９１】
実験の一例を図９に示す。
【００９２】
発電回数の第１として500回とした。この時の電圧が0.736Ｖであるので、EN1が0.736，N１が500となる。第２として700回とした。この時の電圧が0.733Ｖであったため、EN2が0.733，N2が700となる。これらの数値を（数２）に代入し計算すると、E0は0.7914、Bは0.0089と計算される。ここで第３として1000回時の電圧が0.730Ｖであれば、第１から第３を用いて計算されるE0は0.7897、 Bは0.0087となり、第１と第２を用いて計算したときと殆ど変わらないので、適切な電圧の変化と判断できる。なお、本実施の形態ではE0とBの所定の範囲を0.005、0.001とした。
【００９３】
適切でない例として第１と第２は同じであるが、第３として1000回時の電圧が0.728Ｖであれば、第１から第３を用いて計算されるE0は0.7897、 Bは0.0087となり、第１と第２を用いて計算したときと大きく変化している。よって、通常の面積低下による電圧変化以上の変化が起きていると考えられるため、この場合はセルスタックの電圧が適正でないと判断できる。
【００９４】
なお、本実施の形態の燃料電池発電装置は制御部７４が以上であると検出すると、運転は継続されるが、異常を表示すると共に、エラーリセットボタンのように異常を認識したことを使用者が確認したことを示す操作を行わないと次回発電を開始しないように制御部７４は制御することとした。
【００９５】
また、本実施の形態では発電回数の第１として500回とした。図７にあるように、発電回数が少ないところから起動停止を行うと、途中で対数近似時の傾きが変わる。通常の傾きの変化なのか、適切でない状態による傾きの変化なのかの区別が付かないため、第１として500回を本実施の形態では採用し、適切な状態では傾きが変わらない発電回数から計算を開始した。
【００９６】
（実施の形態６）
燃料電池発電装置の構成、動作および制御は実施の形態１とほとんど同じである。異なる点は、制御部７４が適正でないと判断する内容である。
【００９７】
本実施の形態ではある積算発電時間および起動回数の時に、起動後経過時間に対して対数関係となることにより計算された電圧を制御部７４にはあらかじめ入力されている（数３）に基づいて、複数の積算発電時間Etn(nは１以上の整数)から、初期電圧E0と係数Cを計算し、係数Cが所定の範囲を超えて変化すると適正でないと判断するものである。
【００９８】
実験の一例を図１０に示す。
【００９９】
起動後発電時間の第１として１時間とした。この時の電圧が0.77Ｖであるので、Et1が0.77，t１が１となる。第２として２時間とした。この時の電圧が0.766Ｖであったため、Et2が0.766，t2が２となる。これらの数値を（数３）に代入し計算すると、E0は0.77、Cは-0.0058と計算される。ここで第３として３時間時の電圧が0.76４Ｖであれば、第１から第３を用いて計算されるE0は0.7699、Cは0.0055となり、第１と第２を用いて計算したときと殆ど変わらないので、適切な電圧の変化と判断できる。なお、本実施の形態ではE0とCの所定の範囲を0.0002、0.001とした。
【０１００】
適切でない例として第１と第２は同じであるが、第３として３時間時の電圧が0.76Ｖであれば、第１から第３を用いて計算されるE0は0.7706、 Cは0.0087となり、第１と第２を用いて計算したときと大きく変化している。よって、通常の面積低下による電圧変化以上の変化が起きていると考えられるため、この場合はセルスタックの電圧が適正でないと判断できる。
【０１０１】
なお、本実施の形態の燃料電池発電装置は制御部７４が以上であると検出すると、運転を直ちに停止し、異常信号を発信するようにした。
【０１０２】
（実施の形態７）
燃料電池発電装置の構成、動作および制御は実施の形態１とほとんど同じである。異なる点は、制御部７４が適正でないと判断する内容である。
【０１０３】
本実施の形態では実施の形態４〜６を組み合わせたものである。つまりある時の電圧をETnkntnは複数の積算発電時間Tn(nは１以上の整数)、複数の発電回数Nn(nは１以上の整数)および複数の起動後経過時間tn(nは１以上の整数)を用いた（数４）に基づき、初期電圧E0と係数A、BおよびCを計算し、係数A、BおよびCが所定の範囲を超えて変化すると適正でないと判断するものである。
【０１０４】
積算発電時間、発電回数および発電後経過時間の電圧に対するそれぞれの影響は実施の形態４〜６に示したとおりである。異なる積算経過時間、発電回数および発電後経過時間を無作為に計測しても良いが、本実施の形態では、同一発電回数で積算発電時間が大きく変わらない範囲内で発電後経過時間による係数Cを求め、積算発電時間が大きく変わらない範囲内で発電後経過時間がほぼ同じで、発電回数の異なる発電電圧より係数Bを求め、その後異なる積算発電時間から係数Aを求めた。つまり実施の形態４〜６を連続で組み合わせたものである。これにより様々要因が重なった条件でも、早期に適切であるか無いかの判断ができ、早期に異常が検出でき、耐久性の高い燃料電池発電装置が実現できるのである。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明の燃料電池発電装置は、発電電圧から異常の有無を早期に検出することができるので、起動停止を含む様々な条件での運転を行う定置用燃料電池コージェネレーションシ
ステム、燃料電池を電源とする自動車、電気機器に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施の形態１および２における燃料電池発電装置を示す構造図
【図２】本発明の実施の形態１および２における燃料電池の基本単位の構造図
【図３】本発明の実施の形態１および２におけるセルスタックの構成図
【図４】従来例における燃料電池発電装置を示す構成図
【図５】発電を開始した後のセルスタックを構成する単セルの電圧の変化を示す図
【図６】積算発電時間と電圧の関係を示す図
【図７】起動回数と電圧の関係を示す図
【図８】積算発電時間による電圧の変化を示す図
【図９】起動回数による電圧の変化を示す図
【図１０】起動後発電時間による電圧の変化を示す図
【符号の説明】
【０１０７】
１  電解質  
２ａ  触媒反応層（アノード側）
２ｃ  触媒反応層（カソード側）
３ａ  拡散層（アノード側）
３ｃ  拡散層（カソード側）
４ａ  電極（アノード側）
４ｃ  電極（カソード側）
７ａ  セパレータ（アノード側）
７ｃ  セパレータ（カソード側）
２８  電圧計測端子
３９  ブロワ
５１  冷却水タンク
７２  電圧測定部
７３  電力回路部
７４  制御部
８９  アノード入り口２方弁
９２  酸化ガスポンプ
９４  第２の酸化剤ガス供給配管
９６  第２の酸化剤ガス調整弁
【図１】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図２】
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【図３】
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