(57)【要約】【課題】  保存するデータ量を抑制しつつ高い精度で燃料電池セルの劣化を判定することができる燃料電池システム、燃料電池セルの劣化判定方法、および燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１００）は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セル（７４）と、燃料電池セル（７４）の温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出部（１２）と、算出部（１２）が算出する判定値に基づいて燃料電池セル（７４）の劣化を判定する判定部（１２）と、を備える。他の燃料電池システム（１００）は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セル（７４）と、燃料電池セル（７４）の温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出部（１２）と、算出部（１２）が算出する判定値に基づいて燃料電池セル（７４）の運転条件を変更する運転条件変更部（１２）と、を備える。【選択図】        図１
2012074229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出部と、
前記算出部が算出する判定値に基づいて前記燃料電池セルの劣化を判定する判定部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出部と、
前記算出部が算出する判定値に基づいて前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記算出部は、前記演算値の所定時間の積分値を前記判定値として算出することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記算出部は、前記燃料電池セルの温度を前記燃料電池セルの発電電圧で除した値を前記演算値として用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記判定部は、基準値からの前記判定値の乖離度が所定値を上回る場合に、前記燃料電池セルが劣化していると判定することを特徴とする請求項１，３，４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記運転条件変更部は、基準値からの前記判定値の乖離度が所定値を上回った場合に、前記燃料電池セルの発電負荷を低下させることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記運転条件変更部は、前記乖離度が大きいほど、前記燃料電池セルの発電負荷を段階的または連続的に低下させることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記基準値は、前記燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づいて決定されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記乖離度は、前記基準値に対する前記判定値の比、または、前記基準値と前記判定値との差分の絶対値であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池セルは、固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出ステップと、
前記算出ステップにおいて算出する判定値に基づいて前記燃料電池セルの劣化を判定する判定ステップと、を含むことを特徴とする劣化判定方法。
【請求項１２】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出ステップと、
前記算出ステップにおいて算出する判定値に基づいて前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池セルの劣化判定方法、および、燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルは、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池セルは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池セルは、発電を継続にするにつれて劣化することがある。燃料電池セルの劣化は外見では判定しにくいため、燃料電池セルの出力から劣化を判定できることが好ましい。例えば、特許文献１は、燃料電池セルの温度に応じて変化する燃料電池セルの出力特性を温度ごとに基準値として記憶する記憶部と、該基準値と燃料電池セルの実際の出力特性との関係を学習する出力特性学習部とを備えるシステムを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２６９２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、出力特性に係る複数のパラメータのマップデータを多数保存する必要がある。また、個々の学習データ自体にばらつきが生じるため、高い劣化判定精度が得られない。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、保存するデータ量を抑制しつつ高い精度で燃料電池セルの劣化を判定することができる燃料電池システム、燃料電池セルの劣化判定方法、および燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出部と、前記算出部が算出する判定値に基づいて前記燃料電池セルの劣化を判定する判定部と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、保存するデータ量を抑制しつつ高い精度で燃料電池セルの劣化を判定することができる。
【０００８】
本発明に係る他の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出部と、前記算出部が算出する判定値に基づいて前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更部と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る他の燃料電池システムにおいては、保存するデータ量を抑制しつつ高い精度で燃料電池セルの劣化を判定することができる。それにより、燃料電池セルの運転条件を適切に変更することができる。
【０００９】
前記算出部は、前記演算値の所定時間の積分値を前記判定値として算出してもよい。この場合、演算値のばらつきが抑制されるため、劣化判定の精度がより高くなる。前記算出部は、前記燃料電池セルの温度を前記燃料電池セルの発電電圧で除した値を前記演算値として用いてもよい。この場合、発電出力の変動が相殺される。それにより、劣化判定の精度が高くなる。
【００１０】
前記判定部は、基準値からの前記判定値の乖離度が所定値を上回る場合に、前記燃料電池セルが劣化していると判定してもよい。前記運転条件変更部は、基準値からの前記判定値の乖離度が所定値を上回った場合に、前記燃料電池セルの発電負荷を低下させてもよい。それにより、燃料電池セルの寿命を長くすることができる。前記運転条件変更部は、前記乖離度が大きいほど、前記燃料電池セルの発電負荷を段階的または連続的に低下させてもよい。
【００１１】
前記基準値は、前記燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づいて決定されてもよい。前記乖離度は、前記基準値に対する前記判定値の比、または、前記基準値と前記判定値との差分の絶対値であってもよい。前記燃料電池セルは、固体酸化物型燃料電池であってもよい。
【００１２】
本発明に係る燃料電池セルの劣化判定方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出ステップと、前記算出ステップにおいて算出する判定値に基づいて前記燃料電池セルの劣化を判定する判定ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池セルの劣化判定方法においては、保存するデータ量を抑制しつつ高い精度で燃料電池セルの劣化を判定することができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルの温度と発電出力との演算値に基づく判定値を算出する算出ステップと、前記算出ステップにおいて算出する判定値に基づいて前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの制御方法においては、保存するデータ量を抑制しつつ高い精度で燃料電池セルの劣化を判定することができる。それにより、それにより、燃料電池セルの運転条件を適切に変更することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る燃料電池システム、燃料電池セルの劣化判定方法、および、燃料電池システムの制御方法によれば、保存するデータ量を抑制しつつ高い精度で燃料電池セルの劣化を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタック装置の燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。
【図３】燃料電池スタック装置が備える燃料電池スタックを説明するための斜視図である。
【図４】燃料電池スタック装置について説明するための図である。
【図５】温度センサが配置される箇所を示す図である。
【図６】経過時間と、演算値の当該経過時間の積分値との関係の一例を示す図である。
【図７】種々の発電負荷における、「燃料電池スタック装置の代表温度／発電電圧」の積分値の試験結果を示す図である。
【図８】燃料電池スタック装置の代表温度および発電出力を取得するためのフローチャートである。
【図９】劣化判定の基準値を学習するためのフローチャートである。
【図１０】図９のステップＳ１１の処理の詳細を示すフローチャートである。
【図１１】燃料電池スタック装置の劣化判定を行うためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃焼室６０、燃料電池スタック装置７０、熱交換器９０、および表示装置９１を備える。また、燃料電池システム１００は、センサ部として、電圧センサ８１、電流センサ８２、および温度センサ８３を備える。
【００１８】
制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、インタフェース等から構成され、入出力ポート１１、ＣＰＵ１２、記憶部１３等を含む。入出力ポート１１は、制御部１０と各機器とのインタフェースである。記憶部１３は、ＣＰＵ１２が実行するためのプログラムを記憶するＲＯＭ、演算に用いる変数等を記憶するＲＡＭ等を含むメモリである。演算に用いる変数には、電圧センサ８１、電流センサ８２、および温度センサ８３の検出結果が含まれる。
【００１９】
原燃料供給部２０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための改質水ポンプ３２等を含む。酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池スタック装置７０のカソード７１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。燃料電池スタック装置７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備える。
【００２０】
図２は、燃料電池スタック装置７０の燃料電池スタックを構成する燃料電池セル７４の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル７４は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体２１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路２２が形成されている。導電性支持体２１の外周面における一方の平面上に、燃料極２３、固体電解質２４、および酸素極２５がこの順に積層されている。酸素極２５に対向する他方の平面上には、接合層２６を介してインターコネクタ２７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層２８が設けられている。燃料極２３が図１のアノード７２として機能し、酸素極２５が図１のカソード７１として機能し、固体電解質２４が図１の電解質７３として機能する。
【００２１】
燃料ガス通路２２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極２３に水素が供給される。一方、燃料電池セル７４の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極２５に酸素が供給される。それにより、酸素極２５及び燃料極２３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２２】
酸素極２５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質２４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質２４は、酸素極２５から燃料極２３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質２４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質２４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極２３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ２７は、燃料電池セル７４同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
【００２３】
例えば、酸素極２５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質２４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極２３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ２７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
【００２４】
図３は、燃料電池スタック装置７０が備える燃料電池スタック７５を説明するための斜視図である。燃料電池スタック７５においては、複数の燃料電池セル７４が互いに集電部材を介して積層されている。各燃料電池セル７４は、燃料極２３と酸素極２５とが対向するように積層されている。なお、図３において、細線矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。
【００２５】
図４（ａ）は、燃料電池スタック装置７０の全体構成を示す斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す燃料電池スタック装置７０の酸化剤ガス導入部材７６を抜粋して示す斜視図である。図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック装置７０においては、マニホールド７７の上に、２組の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ（燃料電池セル７４）が、互いの積層方向が略並行になるように並列配置されている。燃料電池スタック７５ａ，７５ｂは、固体酸化物形の燃料電池セル７４が複数枚積層された構造を有する。
【００２６】
図４（ａ）のマニホールド７７には、各燃料電池セル７４の燃料ガス通路２２に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド７７を流動する燃料ガスが燃料ガス通路２２に流入する。改質器５０は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂのマニホールド７７と反対側に配置されている。例えば、改質器５０は、一方の燃料電池スタックの積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタックの積層方向に延びる構造を有する。本実施形態においては、改質器５０における改質水入口側に燃料電池スタック７５ａが配置され、燃料ガス出口側に燃料電池スタック７５ｂが配置されている。
【００２７】
また、図４（ｂ）に示すように、燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとの間には、酸化剤ガス導入部材７６が配置されている。酸化剤ガス導入部材７６の内部には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材７６のマニホールド７７側端部には、孔７８が形成されている。酸化剤ガス導入部材７６の内部を流動した酸化剤ガスは、孔７８を通って酸化剤ガス導入部材７６の外部に流動する。それにより、各燃料電池セル７４の外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル７４の燃料ガス通路２２を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル７４の外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル７４において発電が行われる。
【００２８】
燃料電池セル７４において発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル７４のマニホールド７７と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃焼室６０は、燃料電池セル７４（燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ）の上端と改質器５０との間において燃料オフガスが燃焼する空間のことをいう。
【００２９】
改質器５０の上流側が気化部５１として機能し、改質器５０の下流側が改質部５２として機能する。図４（ｃ）に示すように、改質器５０に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、気化部５１においては、改質水が蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部５２においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。
【００３０】
続いて、図１を参照しつつ、燃料電池システム１００の発電時の動作の概要を説明する。原燃料供給部２０は、制御部１０の指示に従って必要量の原燃料を改質器５０に供給する。改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って必要量の改質水を改質器５０に供給する。改質水は、燃焼室６０における燃焼熱を利用して、気化部５１において気化して水蒸気となる。改質部５２においては、燃焼室６０の燃焼熱を利用した水蒸気改質反応が生じる。それにより、改質部５２において、水素を含む燃料ガスが生成される。改質部５２において生成された燃料ガスは、アノード７２に供給される。
【００３１】
酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０の指示に従って必要量の酸化剤ガスをカソード７１に供給する。それにより、燃料電池スタック装置７０において発電が行われる。カソード７１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード７２から排出された燃料オフガスは、燃焼室６０に流入する。燃焼室６０においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素を利用して燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池スタック装置７０（燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ）に与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６０において燃焼させることができる。熱交換器９０は、燃焼室６０から排出された排気ガスと熱交換器９０内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。
【００３２】
電圧センサ８１は、燃料電池スタック装置７０に含まれる１枚以上の燃料電池セル７４の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。なお、複数枚の燃料電池セル７４の発電電圧を検出する場合、該複数枚の燃料電池セル７４は、連続していてもよく連続していなくてもよい。また、電圧センサ８１は、燃料電池スタック装置７０に含まれる全ての燃料電池セル７４の発電電圧を検出してもよい。電流センサ８２は、燃料電池スタック装置７０の発電電流を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。温度センサ８３は、燃料電池セル７４の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。本実施例においては、温度センサ８３は、燃料電池スタック装置７０の代表温度を検出することによって、燃料電池セル７４の温度を検出する。燃料電池スタック装置７０の代表温度の詳細については、後述する。
【００３３】
制御部１０は、各センサの検出結果に基づいて、燃料電池スタック装置７０の劣化判定を行い、その判定結果に基づいて燃料電池スタック装置７０の運転条件を変更する。したがって、制御部１０は、判定部および運転条件変更部として機能する。
【００３４】
続いて、燃料電池スタック装置７０の代表温度の詳細について説明する。代表温度は、燃料電池セル７４の温度と連動して変化する温度のことであり、燃料電池スタック装置７０のいずれの箇所の温度であってもよい。例えば、代表温度は、いずれかの燃料電池セル７４の温度、燃料電池スタック装置７０の平均温度、最高温度などであってもよい。ただし、代表温度は、環境変化などの影響をうけにくい箇所の温度であることが好ましい。
【００３５】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、温度センサ８３が配置される箇所を示す図である。図５（ａ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂを、燃料電池セル７４の積層方向から見た図である。例えば、図６（ｂ）に示すように、温度センサ８３は、燃料電池スタック７５ａおよび燃料電池スタック７５ｂのいずれかのスタックの積層方向の中央部付近であって、燃料ガスの流動方向の中央部付近に配置されていることが好ましい。この場合、温度センサ８３はスタックからの放熱が抑制される位置に配置されるため、環境変化（外気温変化）などの影響を回避することができるからである。
【００３６】
また、温度センサ８３は、燃料電池スタックと燃料電池スタックとの間に配置されていることが好ましい。スタックからの放熱の影響をより回避することができるからである。なお、図５（ａ）に示すように各燃料電池スタックの間に断熱材７９が設けられている場合には、温度センサ８３は、燃料電池スタックと当該断熱材７９との間に配置されていることが好ましい。
【００３７】
以下、燃料電池セル７４の劣化（燃料電池スタック装置７０の劣化）の判定について説明する。なお、燃料電池セル７４の劣化とは、例えば、燃料電池セル７４の発電性能低下（発電電圧低下、発電電力低下等）をいう。また、燃料電池スタック装置７０の劣化とは、燃料電池スタック装置７０全体の発電性能低下をいう。
【００３８】
燃料電池セル７４の性能が良好であれば、燃料電池セル７４の温度、各燃料電池セル７４における酸素分圧、各燃料電池セル７４における水素分圧等の発電性能因子のばらつきが吸収され、所期の発電性能が実現される。しかしながら、燃料電池セル７４の劣化が進行するに従って発電性能因子のばらつきが生じると、所期の発電性能が得られなくなることがある。この現象を利用して、燃料電池セル７４の劣化を判定することができる。
【００３９】
燃料電池セル７４の温度と発電出力（発電電流、発電電圧、または発電電力）との間には、所定の相関関係が存在する。燃料電池セル７４の累積発電時間が長くなると、この相関関係が徐々に変化する。この相関関係の変化は、燃料電池セル７４の温度と発電出力との演算値と、相関関係を有する。したがって、燃料電池セル７４の温度と発電出力との演算値を用いることによって、保存するデータ量を抑制しつつ、高い判定精度で燃料電池セル７４の劣化を判定することができる。以下、詳細について説明する。
【００４０】
なお、以下の説明において、燃料電池スタック装置７０の代表温度を用いて、燃料電池スタック装置７０の全体の劣化について判定する。同様の判定手順により、燃料電池セル７４の個別の温度および発電出力を用いて当該燃料電池セル７４の劣化を個別に判定してもよい。また、同様の判定手順により、燃料電池スタック装置７０に含まれる複数枚の燃料電池セル７４のスタックの温度および発電出力を用いて当該スタックの劣化を判定してもよい。
【００４１】
上記の演算値として、燃料電池スタック装置７０の代表温度と発電出力との四則演算値のいずれを用いてもよい。例えば、上記の演算値として、代表温度×発電電流、代表温度／発電電力、（代表温度×発電電流）／発電電力＝代表温度／発電電圧、等を用いることができる。上記の演算値は、ＣＰＵ１２が算出する。したがって、ＣＰＵ１２が算出部として機能する。
【００４２】
劣化が進行していない燃料電池スタック装置７０と劣化が進行している燃料電池スタック装置７０との間で、上記の演算値に差異が生じる。そこで、劣化が進行していない燃料電池スタック装置７０の上記演算値を基準値として用いる。劣化判定の対象となる燃料電池スタック装置７０の上記演算値を判定値として用いる。劣化判定の対象となる燃料電池スタック装置７０において劣化が進行すると、判定値が基準値から乖離するようになる。そこで、判定値の基準値からの乖離度が所定値よりも大きくなった場合に、劣化判定の対象とする燃料電池スタック装置７０において劣化が進行していると判定することができる。
【００４３】
例えば、上記の乖離度として、判定値と基準値との差の絶対値（乖離幅）を用いることができる。また、上記の乖離度として、基準値に対する判定値の比を用いることができる。なお、基準値として、劣化が進行していないと推測される累積発電時間内での燃料電池スタック装置７０の実測値を用いてもよく、あらかじめ定めた値を用いてもよい。
【００４４】
なお、上記の演算値は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷の変動時（発電量過渡時）における、発電出力の変動が相殺されることが好ましい。例えば、発電電圧は、代表温度が上昇する際に上昇し、代表温度が下降する際に下降する。したがって、代表温度を発電電圧で徐した値を演算値として用いることによって、発電出力の変動が相殺される。この演算値を用いれば、劣化判定の精度が高くなる。また、上記の演算値は発電負荷の変動の影響を受けるため、所定の期間における上記演算値の積分値を用いることが好ましい。この場合、上記の演算値のばらつきの影響が抑制され、劣化判定精度がより高くなる。
【００４５】
図６は、経過時間と、演算値の当該経過時間の積分値との関係の一例を示す図である。図６において、横軸は経過時間を示し、縦軸は上記判定値の一例として「燃料電池スタック装置７０の代表温度／発電電圧」の所定周期で検出した値の所定時間の積分値を示す。図６の実線は、劣化していない燃料電池スタック装置７０の特性を示す。図６の実線に示すように、経過時間と上記積分値とは、比例関係を有する。
【００４６】
図６の破線は、劣化が進行した燃料電池スタック装置７０の特性を示す。図６の破線に示すように、劣化が進行した燃料電池スタック装置７０においても、経過時間と上記積分値とは比例関係を有する。しかしながら、劣化が進行した燃料電池スタック装置７０の特性は、劣化が進行していない燃料電池スタック装置７０の特性から乖離する。これは、劣化が進行した燃料電池スタック装置７０においては、温度と発電出力との相関関係が変化したためである。燃料電池スタック装置７０の劣化が進行するに従って、この乖離度は大きくなる。
【００４７】
ここで、予め定めた所定時間を劣化判定時間として用いる。また、劣化が進行していない（例えば新品の）燃料電池スタック装置７０の特性を基準特性として用いる。次に、劣化判定時間経過後の、劣化判定対象の燃料電池スタック装置７０の上記積分値（判定値）と基準特性の積分値（基準値）との乖離度を求める。図６の例では、判定値と基準値との差分の絶対値を乖離度として用いる。乖離度が予め定めた所定値を上回る場合に、劣化判定対象の燃料電池スタック装置７０が劣化していると判定することができる。
【００４８】
また、比例関係の傾きを用いてもよい。劣化が進行した燃料電池スタック装置７０における図６の特性の傾きは、劣化が進行していない燃料電池スタック装置７０における図６の特性の傾きから乖離する。この傾きの乖離度が所定値を上回る場合に、劣化判定対象の燃料電池スタック装置７０が劣化していると判定することができる。
【００４９】
図７は、種々の発電負荷における、「燃料電池スタック装置７０の代表温度／発電電圧」の積分値の試験結果を示す図である。図７（ａ）〜図７（ｅ）は、劣化が進行していない（例えば新品の）燃料電池スタック装置７０の特性を示す。図７（ａ）は、軽負荷の場合を示す。図７（ｂ）は、中負荷の場合を示す。図７（ｃ）は、高負荷の場合を示す。図７（ｄ）および図７（ｅ）は、負荷が所定のパターンを経る場合を示す。図７（ｆ）および図７（ｇ）は、劣化進行した燃料電池スタック装置７０の特性を示す。図７（ｆ）は、高負荷の場合を示す。図７（ｇ）は、負荷が所定のパターンを経る場合を示す。図７（ｈ）は、図７（ａ）〜図７（ｇ）の各特性を重ね合わせた図である。
【００５０】
図７（ａ）〜図７（ｅ）に示すように、劣化が進行していない燃料電池スタック装置７０においては、負荷が異なっていても、特性にほとんど差異は見られない。図７（ｈ）を見れば、明らかである。一方、図７（ｆ）および図７（ｇ）に示すように、劣化が進行した燃料電池スタック装置７０においても、負荷が異なっていても、特性にほとんど差異は見られない。図７（ｈ）を見れば、明らかである。
【００５１】
したがって、負荷の高低にかかわらず、「燃料電池スタック装置７０の代表温度／発電電圧」の積分値を用いることによって、高い精度で劣化判定を行うことができる。
【００５２】
なお、上記乖離度のしきい値を複数設けて、燃料電池スタック装置７０の劣化判定を行ってもよい。具体的には、上記の乖離度のしきい値として比較的小さい値の第１しきい値と、第１しきい値よりも大きい第２しきい値とを設定していてもよい。例えば、第１しきい値として、燃料電池スタック装置７０の発電負荷を低下させれば発電継続可能な値を設定してもよい。また、第２しきい値として、燃料電池スタック装置７０の発電継続が不可能となる値を設定してもよい。
【００５３】
この場合、上記の乖離度が第１しきい値を上回った場合、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷が低下するように各部を制御するとともに、表示装置９１に、警報を表示させる。発電負荷の低下によって、燃料電池スタック装置７０の寿命を長くすることができる。さらに、上記の乖離幅が第２しきい値を上回った場合、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０の発電が停止するように各部を制御するとともに、表示装置９１に発電停止の情報を表示させる。
【００５４】
また、上記の乖離度が第２しきい値を上回った場合、制御部１０は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷がさらに低下するように各部を制御してもよい。制御部１０は、上記の乖離度が大きくほど、燃料電池スタック装置７０の発電負荷が連続的または段階的に低下するように、各部を制御してもよい。
【００５５】
図８〜図１１は、劣化判定を行う際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。これらのフローチャートは、ＣＰＵ１２が記憶部１３に記憶されたプログラムを実行することによって実行される。図８は、燃料電池スタック装置７０の代表温度および発電出力を取得するためのフローチャートである。図８のフローチャートは、燃料電池スタック装置７０が発電する際に、周期的に（例えば１秒ごとに）実行される。図８に示すように、ＣＰＵ１２は、温度センサ８３から、燃料電池スタック装置７０の代表温度ＴＭＰ＿ｆｃを取得して記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１）。次に、ＣＰＵ１２は、電圧センサ８１から燃料電池スタック装置７０の発電電圧Ｖ＿ｆｃを取得して記憶部１３に記憶させる（ステップＳ２）。次に、ＣＰＵ１２は、電流センサ８２から燃料電池スタック装置７０の発電電流Ｉ＿ｆｃを取得して記憶部１３に記憶させる（ステップＳ３）。その後、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。
【００５６】
図９は、劣化判定の基準値を学習するためのフローチャートである。図９のフローチャートは、燃料電池スタック装置７０が劣化していない期間に実行される。例えば、図９のフローチャートは、燃料電池スタック装置７０の累積発電時間が１００時間経過した際に実行される。
【００５７】
図９に示すように、ＣＰＵ１２は、基準値を算出する（ステップＳ１１）。次に、ＣＰＵ１２は、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１２）。この場合の所定時間は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷の変動の影響を回避できるように設定され、一例として１２時間程度に設定される。ステップＳ１２において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、所定時間後にステップＳ１１を再度実行する。この場合の所定時間は、一例として１秒程度に設定される。ステップＳ１２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、基準値を記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１３）。その後、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。
【００５８】
図１０は、図９のステップＳ１１の処理の詳細を示すフローチャートである。図１０に示すように、ＣＰＵ１２は、発電電流Ｉ＿ｆｃがゼロであるか否かを判定する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、Ｒｎ＝ＴＭＰ＿ｆｃ／Ｖ＿ｆｃの式に従って演算値Ｒを算出する（ステップＳ２２）。ここで、Ｒｎは、図１０のフローチャートの今回の実行時の演算値Ｒである。
【００５９】
次に、ＣＰＵ１２は、ΣＲ＝Ｒｎ＋Ｒｎ−１の式に従って基準値ΣＲを算出する（ステップＳ２３）。ここで、Ｒｎ−１は、図１０のフローチャートの先回の実行時の演算値Ｒである。ステップＳ２１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、ステップＳ２２を実行せずにステップＳ２３を実行する。ステップＳ２３が実行された後、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。図９のステップＳ１１が実行される毎に図１０のフローチャートが実行されることによって、演算値Ｒの積分値が、基準値として得られる。
【００６０】
図１１のフローチャートは、燃料電池スタック装置７０の劣化判定を行うためのフローチャートである。図１１のフローチャートは、基準値の学習後、所定の時間が経過した後に実行される。例えば、図１１のフローチャートは、燃料電池スタック装置７０の累積発電時間が１０００時間経過した際に実行される。
【００６１】
図１１に示すように、ＣＰＵ１２は、判定値を算出する（ステップＳ３１）。判定値は、図１０のフローチャートと同じフローチャートの実行によって算出される。次に、ＣＰＵ１２は、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ３２）。この場合の所定時間は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷の変動の影響を回避できるように設定され、一例として１２時間程度（発電状態の累積時間）に設定される。ステップＳ３１が実行される毎に図１０のフローチャートが実行されることによって、演算値Ｒの積分値が、判定値として得られる。
【００６２】
ステップＳ３２において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、所定時間後にステップＳ３１を再度実行する。この場合の所定時間は、一例として１秒程度に設定される。ステップＳ３２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、乖離度を求める（ステップＳ３３）。ステップＳ３３においては、判定値／基準値を乖離度として求める。次に、燃料電池スタック装置７０の劣化具合が大きいか否かを判定する（ステップＳ３４）。ここで、燃料電池スタック装置７０の劣化具合が大きいと、上記乖離度が大きくなる。そこで、一例として上記乖離度が１．２０よりも大きくなった場合に、燃料電池スタック装置７０の劣化具合が大きいと判定することができる。
【００６３】
ステップＳ３４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷が抑制されるように各部を制御するとともに、表示装置９１に警報を表示させる（ステップＳ３５）。例えば、ＣＰＵ１２は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷を、定格負荷×０．６程度に抑制する。その後、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。
【００６４】
ステップＳ３４において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、燃料電池スタック装置７０の劣化具合が小さいか否かを判定する（ステップＳ３６）。具体的には、ＣＰＵ１２は、上記乖離度が１．０５よりも小さい場合に、燃料電池スタック装置７０の劣化具合が小さいと判定する。ステップＳ３６において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ３６において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷が抑制されるように各部を制御するとともに、ステップＳ３６における判定結果を記憶部１３に記憶させる（ステップＳ３７）。例えば、ＣＰＵ１２は、燃料電池スタック装置７０の発電負荷を定格負荷×０．９程度に抑制する。また、判定結果として、隠しコードを記憶部１３に記憶させる。この場合、燃料電池スタック装置７０の点検作業者が燃料電池スタック装置７０が許容される範囲で劣化していることを把握することができる。
【００６５】
図８〜図１１のフローチャートによれば、保存するデータ量を抑制しつつ燃料電池スタック装置７０の劣化判定を高い精度で行うことができる。
【００６６】
なお、上記実施形態は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。ただし、固体酸化物形のように高温の反応ガスを用いる燃料電池においては、温度差に基づいて発電性能が変化しやすい傾向にある。したがって、上記各実施形態は、固体酸化物形燃料電池に対して特に有効である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  制御部
１１  入出力ポート
１２  ＣＰＵ
１３  記憶部
２０  原燃料供給部
３０  改質水供給部
４０  酸化剤ガス供給部
５０  改質器
６０  燃焼室
７０  燃料電池スタック装置
７１  カソード
７２  アノード
７４  燃料電池セル
７５  燃料電池スタック
８１  電圧センサ
８２  電流センサ
８３  温度センサ
９０  熱交換器
９１  表示装置
１００  燃料電池システム
【図１】
2012074229.tif 000003
【図２】
2012074229.tif 000004
【図３】
2012074229.tif 000005
【図４】
2012074229.tif 000006
【図５】
2012074229.tif 000007
【図６】
2012074229.tif 000008
【図７】
2012074229.tif 000009
【図８】
2012074229.tif 000010
【図９】
2012074229.tif 000011
【図１０】
2012074229.tif 000012
【図１１】
2012074229.tif 000013