JP2006024437A - 燃料電池システムの寿命推定法、及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素を含む酸化剤がカソードに供給され、水素を含む燃料ガスがアノードに供給されて発電する高分子電解質型燃料電池の劣化、特に電解質劣化を予測する有効な方法がなく、寿命予測が困難であった。
【解決手段】所定の運転条件での燃料電池の運転中に、燃料電池の電圧又はインピーダンスを所定時間計測する計測工程と、燃料電池の温度と出力電圧又はインピーダンスの時間変化との関係、及び燃料電池の温度と、燃料電池の出力電圧又はインピーダンスが燃料電池の寿命として設定した閾値に達するまでの時間との関係を有するデータベースに基づいて、所定時間における出力電圧又はインピーダンスの変化から所定の運転条件の温度換算を行うことにより、温度換算の値から導いた寿命までの時間と、計測工程までの燃料電池の運転時間とから、所定の運転条件における燃料電池の寿命を算出する算出工程とを備えた、燃料電池システムの寿命測定方法。
【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池システムの耐久劣化による寿命推定法、又は残時間を延ばす燃料電池システムの運転方法に関する。

燃料電池に供給する燃料ガスは、都市ガス等の燃料から水素生成装置を介して水素を含むガスが作られる。酸化剤ガスは、一般には空気をブロアーで供給する。また燃料ガスおよび酸化剤ガスは、加湿器等を介して適度に加湿して供給される。燃料電池は、これら供給されたガスにより電気化学反応を引き起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。そして、種々ある燃料電池の中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車用の移動体電源あるいは家庭用の定置電源として注目されている。

これらの燃料電池の性能低下は、一般的には燃料電池セルの電圧をモニターすることで検知している。

又、燃料電池セルの電圧低下が、ガス拡散が阻害されて拡散抵抗が増大したことが原因であるのか、電極の反応性が低下して反応抵抗が増大したことが原因であることなのかといった電圧低下原因の詳細を判別するための技術として、例えば特許文献１が挙げられる。

この特許文献１では、特定周波数について交流インピーダンスを予め測定し、その特定周波数の交流を発電中に印加してインピーダンスを測定し、両者を比較するものである。より具体的には、印加する交流電圧は、少なくとも５Ｈｚと４０Ｈｚの周波数で行い、それぞれの周波数におけるインピーダンスの虚数部から拡散抵抗と反応抵抗を求めている。
特開２００２−３６７６５０号公報

しかしながら、上述した従来の判定技術では、性能低下状態の有無は検知できるが、寿命予測することは困難である。

又、特許文献１の方法においても電圧の低下が、ガス拡散性の阻害によるものか電極の反応性の低下によるものかは特定できるが、燃料電池の耐久性を予測することまでは出来ない。

本発明は、上記従来の課題を考慮し、より簡便な方法で、又より高精度に燃料電池の性能低下を検知でき、寿命を予測することが出来る燃料電池システムの寿命推定方法を提供することを目的とする。

又、他の本発明は、寿命を延ばすことが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の本発明は、
所定の運転条件での燃料電池の運転中に、前記燃料電池の電圧又はインピーダンスを所定時間計測する計測工程と、
前記燃料電池の温度と出力電圧又はインピーダンスの時間変化との関係、及び前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の出力電圧又はインピーダンスが前記燃料電池の寿命として設定した閾値に達するまでの時間との関係を有するデータベースに基づいて、前記所定時間における出力電圧又はインピーダンスの変化から前記所定の運転条件の温度換算を行うことにより、前記温度換算の値から導いた前記寿命までの時間と、前記計測工程までの前記燃料電池の運転時間とから、前記所定の運転条件における燃料電池の寿命を算出する算出工程とを備えた、燃料電池システムの寿命測定方法である。

又、第２の本発明は、
前記燃料電池の温度と出力電圧又はインピーダンスの時間変化との関係とは、前記燃料電池の温度と運転時間の対数に対する前記出力電圧又は前記インピーダンスとの関係である、第１の本発明の燃料電池システムの寿命推定方法である。

又、第３の本発明は、
前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の出力電圧又はインピーダンスが前記燃料電池の寿命として設定した閾値に達するまでの時間との関係とは、前記温度に対する前記時間のアレーニウスの関係である、第１又は２の本発明の燃料電池システムの寿命推定方法である。

又、第４の本発明は、
前記インピーダンスとは、複数の周波数での測定によって算出された、前記燃料電池の等価回路における少なくとも１つの抵抗値である、第１の本発明の燃料電池システムの寿命推定方法である。

又、第５の本発明は、
所定の運転条件での燃料電池の運転中、前記運転条件を予め決められた計測条件に変更し、前記燃料電池の等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する計測工程と、
初期状態での前記計測条件における前記複数の抵抗値と、前記算出された複数の抵抗値を比較し、前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程とを備えた、燃料電池システムの運転方法である。

又、第６の本発明は、
所定の運転条件での燃料電池の運転中、前記運転条件を予め決められた計測条件に変更し、前記燃料電池の等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する計測工程と、
前記計測条件における前記複数の抵抗値の時間変化のデータベースと、前記計測工程で得られた前記複数の抵抗値とを比較し、前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程とを備えた、燃料電池システムの運転方法である。

又、第７の本発明は、
所定の運転条件での燃料電池の初期状態での、等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する初期抵抗計測工程と、
前記所定の運転条件での運転中、前記複数の抵抗値を計測する計測工程と、
前記初期抵抗計測工程で得られた初期の複数の抵抗値と、前記計測工程で得られた複数の抵抗値との比較に基づいて、前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程とを備えた、燃料電池システムの運転方法である。

又、第８の本発明は、
前記他の運転条件とは、前記所定の運転条件に対して、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び／又は酸化剤ガスに対する加湿量に関して変化させた条件である、第５〜７のいずれかの本発明の燃料電池システムの運転方法である。

又、第９の本発明は、
前記他の運転条件とは、前記所定の運転条件に対して、前記燃料電池に供給される冷却水の量を変化させた条件である、第５〜７のいずれかの本発明の燃料電池システムの運転方法である。

又、第１０の本発明は、
前記他の運転条件とは、前記所定の運転条件に対して、前記燃料電池の負荷電流を変化させた条件である、第５〜７のいずれかの本発明の燃料電池システムの運転方法である。

又、第１１の本発明は、
前記他の運転条件とは、前記所定の運転条件に対して、前記燃料電池に供給される燃料ガスの改質器の温度を変化させた条件である、第５〜７のいずれかの本発明の燃料電池システムの運転方法である。

又、第１２の本発明は、
第５又は６の本発明の燃料電池の運転方法の、前記燃料電池の等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する計測工程、及び前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

又、第１３の本発明は、
第７の本発明の燃料電池の運転方法の、所定の運転条件での燃料電池の初期状態での、等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する初期抵抗値計測工程、前記所定の運転条件での運転中、前記複数の抵抗値を計測する計測工程、及び前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

又、第１４の本発明は、
第１２又は１３の本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。

本発明によれば、より簡便な方法で、又より高精度に燃料電池の性能低下を検知でき、寿命予測することができる燃料電池の寿命推定方法を提供することができる。

又、他の本発明によれば、残時間を延ばすことが可能な燃料電池の運転方法を提供することができる。

（実施の形態１）
はじめに、本発明にかかる実施の形態１の燃料電池発電システムの構成図である図５を参照しながら、本実施の形態１の燃料電池発電システムの構成について説明を行う。

図５に示すように、本実施の形態１の燃料電池発電システムは、アノードに供給される水素リッチな燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガスとしての空気から、電気化学反応によって発電を行う燃料電池１を備えている。また、都市ガスから水素改質反応によって水素リッチな燃料ガスを生成するための水素生成装置２と、水素生成装置２に水を供給するためのポンプ３が設置されている。尚、水素生成装置は改質器、バーナー、一酸化炭素除去器などから構成されるものであり、都市ガス中のメタンと水を反応させて、主に水素と二酸化炭素からなる改質ガスを作り出す装置である。

又、酸化剤ガスとしての空気を供給するためのブロア９と、ブロア９に供給される空気中の不純物を除去するためのフィルター５が設置されている。このブロア９から燃料電池１へと供給する前に、空気の加湿を行うための加湿器６と、加湿器６へ水を供給するためのポンプ７が設置されている。

通常発電時には燃料電池の負荷電流をインバーターに流して交流に変換して外部に取り出している。発電時に発生する熱は冷却水を介して外部に取り出している。

次に、本実施の形態１による燃料電池システムの寿命推定方法について説明を行う。

燃料電池の性能低下を検知する基準として、定格運転で初期の電池電圧値に対し例えば１割低下までを燃料電池の寿命と仮定する。

本実施の形態１の燃料電池システムを（表１）に記載の定格運転の条件で連続運転を行った。ここで定格運転における電池温度は、冷却水が燃料電池１に流入する温度（表１のｉｎに相当）である６０℃とする。又、定格運転より１０℃高温である温度試験１、定格運転より２０℃高温である温度試験２、及び定格運転より３０℃高温である温度試験３の条件での連続運転も行った。結果を図６に示す。

図６のグラフの横軸である発電時間を対数で表したグラフを図７に示す。図７のグラフから各温度における電池電圧は、発電時間の対数に対して相関関係が得られることが分かる。そして、この相関関係から得られる傾きである変化率を、電池温度に対してプロットすることにより図８に示す相関関係が得られる。この図８に示すグラフから電池電圧が高温になるに従って、電圧の経時変化率が大きくなる関係が有ることが分かる。

又、電池電圧が、定格運転での初期の出力電圧に対して一割低下するまでの到達時間を電池温度に対してアレーニウスプロットすると、図９に示されるような相関関係が得られた。

ここで、９０℃の場合を例に挙げて、到達時間の測定について説明する。

この到達時間は定格運転での電圧を基準として閾値を設定している。そのため、例えば９０℃での寿命を測定する際においても、始めに６０℃の定格条件での燃料電池システムの発電を行い、電池電圧が安定した時点の電池電圧を測定する。

ここで、当然のことながら、燃料電池システムは連続運転を行うと電池電圧は低下していく。しかし電池電圧が安定するまでの時間は２〜３時間程度であるため、電池電圧が安定した時点では、ほとんど電池電圧は低下しておらず実質上電圧低下していない状態の電池電圧に相当する。この実質上電圧低下していない状態が、本発明の初期状態の一例に相当する。

次に、９０℃で連続運転を行うのであるが、連続運転中に定期的に定格運転である６０℃に温度を低下させて電池電圧を測定する。そして、この定期的に測定した電池電圧が定格運転での初期の電池電圧の一割低下した時の値になったときを到達時間とした。

以上より、電池の劣化現象は電池温度に依存していることを示すことが出来る。

本実施の形態１における燃料電池システムは、図８に示される電池温度と電池電圧の変化率の関係と、図９に示される電池温度と到達時間の関係をデータベースとして搭載している。

ここで寿命推定対象の燃料電池システムを、ある所定の条件での連続運転中に所定の時間、例えば２４時間、電池電圧を計測する（第１の本発明の計測工程の一例に相当する。）。

次に、所定時間の対数に対して電池電圧の変化量の割合を求め、図８のグラフにこの変化率を当てはめ、温度換算値を求める。これは、所定の運転条件での電池電圧の劣化が、図８のグラフ中の何度における電池電圧の劣化に相当するかを求めることである。

次に、温度換算値を図９のグラフに当てはめることにより、その温度において燃料電池が寿命に達するまでの時間がわかる。この到達時間は、連続運転を始めてから閾値に到達するまでの時間であるため、この時間と計測工程終了時までの連続運転の時間との差をとることにより、残りの寿命時間を推定することが出来る（第１の本発明の算出工程の一例に相当する。）。

この様に本実施の形態１の燃料電池システムの寿命推定方法は、定格運転の温度条件のみ変化させた燃料電池の特性を予めデータベースとして搭載し、実際の運転時での運転条件が前記データベースのどの温度の特性に相当するかを決定し、寿命を推定することが出来る。

（実施の形態２）
本実施の形態２による燃料電池システムの基本構成は、実施の形態１と同様であるが、電池電圧ではなく、交流インピーダンスを測定することにより残時間を推定する点が異なる。そのため、本相違点を中心に説明を行う。

始めに、本実施の形態２である燃料電池システムの寿命推定方法についての説明を行うに先立ち、その理解をより容易にするために、本発明の原理について説明を行う。

図１は、周波数をスイープさせて測定したインピーダンスをプロットした、典型的な燃料電池セルのインピーダンスの実数部に対する虚数部のプロットである。又、図２は、燃料電池セルのインピーダンスを表す、本発明者が見いだした、最も高い精度を有する等価回路の図である。

ここで、インピーダンス特性の測定方法について説明を行う。

燃料電池から取り出す直流電流の電流振幅値を１０％程度以下の微小振幅、周波数ｆの交流電流を、直流電流に重畳して取出す。

そして、その時に測定される電池電圧の交流成分および電池電流の交流成分において、振幅および位相からインピーダンスを演算する。

通常、印加する交流電流の振幅が大きいほどシグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）が向上する。しかし図３に示すように、交流電流の振幅が直流電流の５％を超えるとＳ／Ｎ比は飽和し、それ以上振幅を増やしてもＳ／Ｎ比は向上しない。

一方、燃料電池の場合、電池を流れる電流は化学反応による電荷の移動を伴うため、交流電流の振幅を増大させると供給ガス量に対する反応量（ガス利用率）が変動することになる。通常、直流電流の１０％以下での振幅の交流電流の印加であれば、ガス利用率の変動はわずかであり、測定値に影響を与えないが、１０％を超えるとガス利用率の変動の影響を無視できず、測定値に誤差を生ずる。よって、印加する交流電流の振幅は、直流電流の１％〜１０％程度が望ましい。

又、等価回路の複素インピーダンスをＺとし、その実数部をＺｒとし、その虚数部Ｚｉとすると、
（数１）
Ｚ＝Ｚｒ−ｊＺｉ
と記述される（ただし虚数単位をｊとした、以下同様）。

また、測定時のセル電圧交流成分を複素数Ｅとし、その実数部をＥｒとし、その虚数部をＥｉとし、セル電流交流成分を複素数Ｉとし、その実数部をＩｒとし、その虚数部をＩｉとすると、
（数２）
Ｅ＝Ｅｒ−ｊＥｉ
Ｉ＝Ｉｒ−ｊＩｉ
Ｚ＝Ｅ／Ｉ＝（Ｅｒ−ｊＥｉ）／（Ｉｒ−ｊＩｉ）
と記述される。

よって、周波数ｆの交流電流取出し時に測定されたＥ、Ｉから複素インピーダンスが演算できる。

さらに、取り出す交流電流の周波数ｆを０．１Ｈｚ程度から１０００Ｈｚ程度まで掃引し、各周波数における複素インピーダンスを同様にして演算する。

そして、その実数部Ｚｒを横軸に、虚数部Ｚｉにマイナス符号を付けた−Ｚｉを縦軸にした複素平面にプロットし、図１に示されているようなコール−コールプロット（Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ ｐｌｏｔ）を作成する。

等価回路が一対の抵抗、コンデンサ並列回路の場合のコール−コールプロットは、横軸上に中心点をもつ一定の半径の半円形状となる（いわゆるコール−コールの円弧則による）。

図２のような、抵抗（抵抗値）Ｒｍ、Ｒｃｔ−ａｎ、Ｒｃｔ−ｃａ、コンデンサ（容量値）Ｃｄｌ−ａｎ、Ｃｄｌ−ｃａ、およびワールブルグインピーダンスＷ−ｃaを有する等価回路の場合のコール−コールプロットは、３つの円弧を重ね合わせた形状になる。

様々な周波数ｆにおける複素インピーダンスを測定し、その複素インピーダンスにフィットする等価回路のコンポーネント（Ｒｍ、Ｒｃｔ−ａｎ、Ｒｃｔ−ｃａ、Ｃｄｌ−ａｎ、Ｃｄｌ−ｃａ、およびＷ−ｃa）の値を算出する。

等価回路のコンポーネントにおける、それぞれ物理的な意味は、Ｒｍは電解質膜の抵抗値、Ｒｃｔ−ａｎはアノード電荷移動抵抗、Ｒｃｔ−ｃａはカソード電荷移動抵抗、Ｃｄｌ−ａｎはアノード電気二重層容量、Ｃｄｌ−ｃａはカソード電気二重層容量、Ｗ−ｃａはカソード拡散抵抗を表す。

ここで、周波数は、できるだけ細かく変化させた方がコンポーネントの算出の精度は高いが、Ｒｍ、Ｒｃｔ−ａｎ、Ｒｃｔ−ｃａ、Ｗ−ｃａの４つを算出するだけであれば、最低限４つの周波数における複素インピーダンスの実数成分を測定すれば、前記４つの抵抗値を近似的に算出できる。

すなわち、図１で示されるコールコールプロットは、図４（ａ）では４ａで示されており、４ａを分解した３対の円弧が４ｂ、４ｃ、４ｄに相当する。そして、この４ｂの曲線は図４（ｂ）の等価回路で示され、同様に４ｃ、４ｄはそれぞれ図４（ｃ）、図４（ｄ）の等価回路で示される。この３対の円弧の実軸との交点における周波数から、図４に示すように、高周波数（例えば１０００Ｈｚ）における複素インピーダンスの実数成分はＲｍとほぼ等しく、２００Ｈｚの実数成分はＲｍ＋Ｒｃｔ−ａｎ、１０Ｈｚの実数成分はＲｍ＋Ｒｃｔ−ａｎ＋Ｒｃｔ−ｃａ、０．１Ｈｚの実軸成分はＲｍ＋Ｒｃｔ−ａｎ＋Ｒｃｔ−ｃａ＋Ｗｃａとほぼ等しくなる。

上述した様に、燃料電池セルの運転条件を変化させて、等価回路中の抵抗値の変化を調べた。

その結果、酸素含有ガスである空気の利用率を変化させた場合には、Ｗｃaが主に変化した。又、燃料ガス中の水素の濃度を変化させた場合には、Ｒｃｔ−ａｎが主に変化した。更に、燃料電池セルの温度分布を変化させた場合には、Ｒｍが主に変化した。

以上のようにして、あらかじめ決められた運転条件、例えば定格条件における燃料電池セルのインピーダンスを測ることにより、等価回路の各コンポーネントの定格値を求め、記憶しておく。

そして、実施の形態１と同様に温度の運転条件をそれぞれ変化させたときのインピーダンスを定期的に図って求めたそれぞれの等価回路のコンポーネントの値を、発電時間の対数に対してプロットすることで相関関係が得られる。また、電池電圧が定格運転での初期の出力電圧に対して一割低下するときの等価回路のコンポーネントの変化値までの到達時間を電池温度に対してアレーニウスプロットし相関関係が得られる。これら相関関係をデータベースとして、システムに搭載されている。

次に、本実施の形態２の燃料電池の寿命推定方法について説明する。

本実施の形態２の燃料電池システムを、実施の形態１と同様に（表１）の条件に従い、電池温度を変化させ、各電池温度において連続運転を行った。この連続運転中にインピーダンスの測定をして等価回路のコンポーネント値を求める。このとき一例として、各電池温度における運転時間に対するＲｃｔ−ｃａのコンポーネント値をプロットすると図１０に示すような結果が得られた。

図１０のグラフの横軸である発電時間を対数で表したグラフを図１１に示す。図１１のグラフから各電池温度におけるＲｃｔ−ｃａのコンポーネント値と発電時間の対数には相関関係が得られることが分かる。

又、図１１のグラフから得られる相関関係から得られる傾きである、発電時間の対数に対するＲｃｔ−ｃａのコンポーネント値の変化率を、電池温度に対してプロットすると図１２に示す結果が得られた。図１２から、電池温度を高く設定するとＲｃｔ−ｃａのコンポーネントの変化率が大きくなることがわかる。

次に、例えば、温度試験１では定格運転を定期的に行い、等価回路のコンポーネント値を測定する。この測定を、（表１）に従って、温度試験２及び温度試験３についても行う。そして、定格運転における初期の出力電圧に対して電池電圧が一割低下したときのＲｃｔ−ｃａ値への到達時間を求める。各温度での到達時間を温度に対してアレーニウスプロットすると、図１３に示されるような相関関係が得られた。

本実施の形態２における燃料電池システムは、上記図１２に示される電池温度とコンポーネント値の関係と、図１３に示される電池温度と到達時間の関係をデータベースとして、システムに搭載されている。

この結果を用い、燃料電池システムの定格運転時のインピーダンス計測をすることにより、性能低下状態を検知できて寿命を予測することができる。尚、上記グラフでは、例としてＲｃｔ−ｃａを例に挙げたが、図１４−１、図１４−２及び図１５に示されているように、他のコンポーネント値（Ｒｍ、Ｒｃｔ−ａｎ、Ｗ−ｃａ）に対しても上記関係は成り立つので、これらのグラフをデータベースとして搭載することによって、他のコンポーネント値を用いたり、また併用し寿命予測することが可能である。尚、図１４−１には、電池温度とＲｃｔ−ｃａ、Ｒｃｔ−ａｎ、Ｗｃａの値の関係、図１４−２には、電池温度とＲｍの値の関係が示されている。

寿命推定対象の燃料電池システムを、第１の本発明による運転条件の一例である所定の運転条件で連続運転中に所定の時間、インピーダンス測定を行うことにより各コンポーネント値を計測する（第１の本発明の計測工程の一例に相当する）。

次に、所定時間の対数に対してコンポーネント値の変化量の割合を求め、図１４のグラフに当てはめることにより、温度換算値を求める。この温度換算値を図１５のグラフに当てはめることにより、その温度において燃料電池が寿命に到達するまでの時間がわかる。この到達時間は、連続運転を始めてから閾値に到達するまでの時間であるため、この時間と計測工程終了時までの連続運転の時間との差を取ることで、残りの寿命を推定することが出来る（第１の本発明の算出工程の一例に相当する。）。

例えば、Ｒｃｔ−ｃａ値を例に挙げ、具体的に述べると任意の運転条件で燃料電池システムの連続運転を行い、５０００時間経過後にインピーダンス測定を１００時間連続で測定を行い、各コンポーネントを求める。

そして、Ｒｃｔ―ｃａの変化率を図１２と比較する。図１２より得られたこのときの電池温度は、例えば７５℃の劣化に相当し、この温度を図１３のアレーニウスプロットに当てはめる。すると、７５℃相当では初期から電池寿命までの到達時間が約５５００時間であるから、５５００時間から連続測定を行った１００時間と連続測定前の運転時間５０００時間を引くことにより、寿命が残り約４００時間相当であると予測することができる。尚、インピーダンスの連続測定は、上記例では理解を容易にするために１００時間としたが、実施の形態１と同様に２４時間としても良く、任意の時間でよい。

上述した様に、インピーダンス測定によって得られた各コンポーネント値の変化率から求めた温度換算値を、温度における各コンポーネント値の寿命までの到達時間のアレーニウスプロットに当てはめることにより、各コンポーネント値による寿命までの到達時間を求めることが出来、それらの整合性を調べることが出来るので、実施の形態１において説明した電池電圧測定のみから寿命を推定するよりも、より正確に寿命時間の推定を行うことが出来る。

尚、本発明の閾値は、実施の形態１及び２では、定格運転で初期の電池電圧から一割低下した値に相当するが、電池電圧、各コンポーネントを発電時間の対数に対してプロットしたときに十分な相関関係が得られる範囲であるならば、定格運転で初期の一割劣化よりも大きくすることで、より広範囲な性能低下検知が可能であり、寿命予測の幅が広がる。

尚、実施の形態１及び２の燃料電池システムは、定格運転の温度条件のみ変化させた燃料電池の特性をデータベース（実施の形態１では図８及び図９に相当、実施の形態２では図１４及び図１５に相当）として搭載しているが、定格運転に限らなくても良く、要するに温度のみ変化させ他の条件が同一である様に条件を変更した燃料電池の特性をデータベースとして搭載すればよい。

（実施の形態３）
本実施の形態３における燃料電池システムの運転方法は、実施の形態２にてインピーダンス測定を用いて計測した各コンポーネント値に基づいて劣化部位を特定し、運転条件を変更することにより燃料電池の寿命を延ばす方法である。

以下に、本実施の形態３における燃料電池システムの運転方法について説明する。

始めに、定格運転における初期状態での各コンポーネント値を求めて記憶しておく。ここで、初期状態とは実質上各コンポーネント値が変化していない状態であり、実施の形態１で述べた実質上出力電圧が低下していない状態と同じである。続いて、所定の運転条件での燃料電池システムの連続運転を行い、任意の時間で定格運転を行う。この際、インピーダンス測定を行い、各コンポーネントを求める（第５の本発明の計測工程の一例に相当する。）。この結果、各コンポーネント値の中で、初期の各コンポーネント値と比較してＷｃａが大きく変化しているとする。

これは、運転の進行により各部位の濡れが進行し、酸化剤の触媒層の白金への拡散性の低下、ガス拡散層のガス透過性の低下、セパレータの流路のガス透過性が低下したものなどが原因として考えられる。

これらは、いずれもガス透過性がいずれも関与していると考えられる。そこで、空気極の酸化剤の流速を上げるような、本発明の他の運転条件の一例に相当する運転条件に変更した（第５の本発明の制御工程の一例に相当する。）。これにより、電池電圧が上昇し、Ｗcaが低下した。また、電池温度を上昇させて空気極の加湿を下げることを行った時も同様に、Ｗｃａが低下した。

また、上述したインピーダンス測定により求めた各コンポーネント値の中で、Ｒｍが劣化し大きく変化しているとする。そこで加湿器で加湿する水の量を増やすと、Ｒｍが基の状態にほぼ回復できた。

また、上述したインピーダンス測定により求めた各コンポーネント値の中で、Ｒｃｔ−ａｎが劣化し大きく変化しているとする。この場合、改質器の転稼率が低下していることが考えられる。そこで、改質器のバーナーを調節し、温度が上昇することで、Ｒｃｔ−ａｎが基の状態にほぼ回復できた。

このように、任意の条件で連続運転している燃料電池システムについて、定格運転における実質上電圧が低下していない初期状態の各コンポーネント値と比較し、大きく変化しているコンポーネント値を回復させるような運転条件を変更することで残時間をのばすことが出来る。

この流速や、電池温度を上げることをシステム制御として定期的に行うことで、各コンポーネントの変化を制御をしていないときと比べ低下し、燃料電池の寿命が向上した。

尚、本実施の形態３では、任意の運転条件で連続運転する前に、定格運転の初期状態における各コンポーネント値を測定したが、予め本実施の形態３と同様の構成の燃料電池での本発明の計測条件の一例である定格運転における各コンポーネントの初期状態での値がデータベースとして搭載されていてもよい。そうすることで、定格運転の初期状態における各コンポーネント値の測定を省略することが出来る。

更に、定格運転における各コンポーネント値の初期状態からの時間経過がデータベースとして搭載されていても良い。この場合、連続運転中に、定格運転に変更し各コンポーネント値を測定する（第６の本発明の計測工程の一例に相当する。）。次に、測定した各コンポーネント値と、データベースの該当する時間における各コンポーネント値を比較し、通常の劣化の程度と異なるコンポーネント値を見つけ出し、そのコンポーネント値を回復させるように運転条件を変更する（第６の本発明の制御工程の一例に相当する。）。

又、本実施の形態３では、任意の条件での連続運転中に定格運転に変更し、各コンポーネント値を測定し、定格運転の初期状態における各コンポーネント値と比較していたが、定格運転に戻さなくともよい。

この場合、はじめに任意の条件での連続運転の初期状態における各コンポーネント値を測定する（第７の本発明の初期抵抗計測工程の一例に相当する。）。次に、連続運転中の任意の時に各コンポーネント値を測定する（第７の本発明の計測工程の一例に相当する。）。

そして、初期状態における各コンポーネント値と、任意の時に測定した各コンポーネント値を比較して運転条件を変更する（第７の本発明の制御工程の一例に相当する。）。この様にすることで、上記と同様に残時間を伸ばすことが出来る。

もちろん、実施の形態１、２及び３の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池として１つの燃料電池からなるものを代表的に示しているが、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックを燃料電池セルの代わりに接続し、燃料電池スタック全体のインピーダンスを測定することもできる。

以下、本発明の燃料電池システムの寿命推定方法及び運転方法について実施例にて、より具体的に説明する。

（実施例１）
始めにガス拡散層を以下の方法で作製した。

カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰＨ−０６０）にポリテトラフルオロエチレンの分散液（ダイキン工業（株）製：ルブロンＬＤＷ−４０）を乾燥重量として１０重量％含侵させた後、熱風乾燥機を用いて３５０℃で加熱することで撥水処理を行った。

さらに炭素粉末とフッ素樹脂からなる高分子含有導電層を形成した。すなわち炭素粉末としての電気化学工業（株）製：デンカブラックに、フッ素樹脂としてのポリテトラフルオロエチレンの分散液（ダイキン製：ルブロンＬＤＷ−４０）を、乾燥重量として３０重量％混合して作製した分散液を、前記撥水処理したカーボンペーパーに塗工し、熱風乾燥機を用いて３５０℃で加熱することで高分子含有導電層を含むガス拡散層を作製した。

次に電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を以下の方法で作製した。導電性炭素粉末に平均粒径約３０Åの白金粒子を５０重量％担持したもの（田中貴金属工業（株）製：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１０ｇに、水１０ｇを加え、水素イオン伝導性高分子電解質の９重量％エタノール溶液（旭硝子（株）製：フレミオン）５５ｇを混合し、触媒ぺ−ストを作製した。このペーストをポリプロピレンフィルム上にワイヤーバーを用いたバーコーティングにより塗布し、乾燥することで、酸化剤極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ^２当り０．３ｍｇになるように調整した。

又、導電性炭素粉末に白金−ルテニウム合金を担持したもの（田中貴金属工業（株）製：ＴＥＣ６１Ｅ５４）１０ｇに、水１０ｇを加え、水素イオン伝導性高分子電解質の９％エタノール溶液（旭硝子（株）製：フレミオン）５０ｇを混合し、触媒ぺ−ストを作製した。このペーストをポリプロピレンフィルム上にワイヤーバーを用いたバーコーティングにより塗布し、乾燥することで、燃料極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ^２当り０．３ｍｇになるように調整した。

この触媒層付きポリプロピレンフィルムをそれぞれ６ｃｍ角に切り、水素イオン伝導性高分子電解質膜（ジャパンゴアテックス（株）社製：ゴア−セレクト、膜厚３０μｍ）を、前述した触媒層付きの２組のポリプロピレンフィルムで触媒層が内側になるように挟み、１３０℃で１０分間ホットプレスした後、ポリプロピレンフィルムを除去し、触媒層付高分子電解質膜を得た。

この触媒層付高分子電解質膜の両側にガス拡散層を、その高分子含有導電層が内側になるように挟んでＭＥＡとした。一方、黒鉛板にガス流路と冷却水流路を切削加工してセパレータ板を作製した。ＭＥＡを一対のセパレータ板で挟み、燃料電池セルを構成した。

この燃料電池セルを用いて、図５の構成の燃料電池発電システムを作製した。燃料極側には、都市ガスに水を添加して水素生成装置で改質した改質ガス（水素８０％、二酸化炭素２０％、一酸化炭素２０ｐｐｍ、露点６０℃）を供給し、酸素極側には露点が６０℃となるように加湿した空気をそれぞれ供給し、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２で発電を行った。尚、冷却水を燃料電池セルの入口側で６０℃、出口側で６２℃〜６５℃になるように調整した。又、燃料電池の電池電圧は０．７５Ｖであった。

図１６に電池電圧の経時変化を示す。電池電圧は時間と共に徐々に低下し、運転を開始してから６０００時間経過後にセル電圧は０．７０Ｖ以下に低下した。このときをこの燃料電池システムの寿命とした。

このときに負荷電流をインバーターからインピーダンス測定器につなぎ換えて１０００Ｈｚ、２００Ｈｚ、１０Ｈｚ、０．１Ｈｚにおける複素インピーダンスを測定した。

インピーダンス測定器は周波数応答アナライザー（ＳＯＬＡＲＴＲＯＮ ＳＩ１２５０）と電子負荷（ＳＣＲＩＢＮＥＲ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ ＳＥＲＩＥＳ８９０Ｂ）の組み合わせで構成した。又、負荷電流は、２００ｍＡ／ｃｍ^２の直流に±１０ｍＡ／ｃｍ^２の正弦波を重畳した電流とした。

１０００Ｈｚにおける複素インピーダンスの実数成分をＲｍとし、２００Ｈｚの実数成分をＲｍ＋Ｒｃｔ−ａｎ、１０Ｈｚの実数成分をＲｍ＋Ｒｃｔ−ａｎ＋Ｒｃｔ−ｃａ、０．１Ｈｚの実数成分をＲｍ＋Ｒｃｔ−ａｎ＋Ｒｃｔ−ｃａ＋Ｗｃａとして、定格時のＲｍ、Ｒｃｔ−ａｎ、Ｒｃｔ−ｃａ、Ｗｃａをそれぞれ算出した。この各コンポーネント値が、この燃料電池システムの寿命時の値（定格運転時のセル電圧０．７０Ｖ時の値）である。

一方、（表１）に示すように電池温度条件を変化させて、燃料極側には、都市ガスに水を添加して水素生成装置で改質した改質ガス（水素８０％、二酸化炭素２０％、一酸化炭素２０ｐｐｍ、露点６０℃）を供給し、酸素極側には露点が６０℃となるように加湿した空気をそれぞれ供給し、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２で発電を行った。

そして各電池温度で連続運転を行い、インピーダンスを測定する。このとき各コンポーネント値に対し、耐久時間の対数をプロットし、得られた変化率を各電池温度に対しプロットした。このプロットしたグラフを図１４に示す。これを基に、例えば温度試験１の場合では、温度試験１から定格運転に定期的に変更し、インピーダンス測定を行う。すると、定格運転時の電池電圧が０．７０Ｖ以下の時の各コンポーネント値に到達するまでの時間は、電池温度が高くなるほど速くなる結果になった。

そして定格運転時の電池電圧が０．７０Ｖ以下の時の各コンポーネント値に到達するまでの時間を、電池温度に対してアレーニウスプロットすると図１５になり相関関係が得られた。

上記測定を行った燃料電池と同様の燃料電池を構成し、図５の構成の燃料電池システムを作製し、各コンポーネントに対し得られた温度との関係（図１４）や到達時間と電池温度のアレーニウスデータ（図１５）をデータベースとして新たに搭載した燃料電池システムＡを用いて耐久試験を実施した。

この燃料電池システムＡは、寿命６０００時間に対し、初期から２０００時間、２０００時間から４０００時間及び４０００時間から残りまでそれぞれ青色、黄色及び赤色の３種類のゾーンを設け、モニターに残寿命を表示出来るようにする。運転６０００時間までの間、任意で定格運転を行い、この時に定常状態でインピーダンス測定も同時に行う。

そして等価回路より各コンポーネントを求め、図１４及び図１５から寿命予測を行った結果を基に、一例としてＲｃｔ−ｃａ値を任意で測定したインピーダンスより残寿命を求め、予測し、表示モニターが残寿命に併せて表示するのを確認した。このときの結果を（表２）に示す。

これより、寿命を表示してから、それぞれの寿命である電池電圧０．７０Ｖ以下に到達するまでの時間は、１０％以内で一致した。

（実施例２）
実施例１と同様に燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを用いて実施例１と同様に図５の構成の燃料電池発電システムＢを作製した。

実施例１と同様に運転を行い、セル電圧が０．７５Ｖであることを確認した。３０００時間時の、インピーダンス測定を行った。そして等価回路より各コンポーネントを求めた。初期の各コンポーネント値に比べ大きく変化していたのがＷｃａのため、カソードのフラッディングが起こっていることが分かり、この後電池温度２℃高め電池内の相対湿度を下げることを行った。

その後、再度発電を再開したところ、セル電圧は０．７３Ｖに回復し、Ｗｃａも元に戻った。そして、電池温度は元の温度に戻した。

さらに発電を継続したところ、セル電圧は時間と共に徐々に低下し、定格運転時の電池電圧が０．７１Ｖ以下に低下したときの合計運転時間が７０００時間を到達していた。

図１７にセル電圧の経時変化を示す。これよりこの燃料電池システムＢが電池電圧０．７０Ｖに到達するまでの時間は、７０１０時間であり、図１６の寿命６０００時間に比べて、約１６％延命することが確認できた。

（比較例１）
実施例１と同様の構成の燃料電池発電システムを作製した。

実施例１と同様に運転を行い、運転５０００時間でインピーダンス測定を全く行わないで発電を継続した。図１８は、電池電圧の経時変化のグラフである。図に示すように、電池電圧の運転時間に対する変化率は５ｍＶ／１０００時間となり、電池電圧が０．７０Ｖ以下に到達するまで１００００時間の寿命を予測した。

しかしながら、実際に、電池電圧が、０．７０Ｖに到達する時間は、６０００時間であった。これより運転制御をしていないため、寿命が延命することは無かった。

上述の実施例１〜２と比較例とを比較することにより、本発明によれば、燃料電池システムの寿命推定が可能でより精度が高い。また、インピーダンス測定より求めた各コンポーネントから、運転条件を制御し燃料電池システムを最適な状態に維持できるため、長時間安定して燃料電池の発電を維持できることが明らかとなる。

又、本発明のプログラムは、上述した本発明による燃料電池の運転方法の全部または一部の工程の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。

又、本発明の記録媒体は、上述した本発明燃料電池の運転方法の全部又は一部の工程の全部又は一部の動作をコンピュータにより読みとり可能且つ、読みとられた前記プログラムが前記コンピュータと協働して前記動作を実行する記録媒体である。

尚、本発明の上記「一部の工程」とは、それらの複数の工程の内の、一つ又は幾つかの工程を意味する。

又、本発明の上記「工程の動作」とは、前記工程の全部又は一部の動作を意味する。

又、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読みとり可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する様態であっても良い。

又、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協労して動作する態様であっても良い。

又、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。

又、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。

尚、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。

本発明の燃料電池の寿命推定法は、より簡便な方法で、又より高精度に燃料電池の性能低下を検知でき、寿命を予測できる効果を有し、家庭用コージェネレーション燃料電池等の寿命推定法として有用である。

又は、他の本発明による燃料電池の運転方法は、残時間を延ばすことが可能な効果を有し、家庭用コージェネレーション燃料電池の運転方法等として有用である。

本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムの周波数をスイープさせて測定したインピーダンスをプロットした図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムのセルのインピーダンスを表す等価回路を示す図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムの交流電流の振幅に対するＳ／Ｎ比を示した図 図４（ａ）〜（ｄ）：本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムのインピーダンスと周波数との関係及び等価回路を表す図 本発明にかかる実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明にかかる実施の形態１における燃料電池システムの各電池温度での電池電圧の時間変化のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態１における燃料電池システムの各電池温度での電池電圧と発電時間の対数との関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムの電池電圧劣化率と電池温度の関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムの電池電圧１０％劣化到達時間と電池温度のアレーニウスの関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムの各電池温度でのＲｃｔ−ｃａの時間変化のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムの各電池温度でのＲｃｔ−ａｎと発電時間の対数との関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムのＲｃｔ−ａｎの変化率と電池温度の関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムのＲｃｔ−ａｎのアレーニウスの関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムのＲｃｔ−ｃａ、Ｒｃｔ−ａｎ、Ｗｃａの変化率と電池温度の関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムのＲｍの変化率と電池温度の関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムの各コンポーネントのアレーニウスの関係のグラフを示す図 本発明にかかる実施例１における燃料電池システムの６０００時間の電池電圧耐久データを示す図 本発明にかかる実施例２における燃料電池システムの運転方法で７１００時間の延命効果が発揮できた電池電圧耐久データを示す図 比較例１における燃料電池システムの運転方法での電池電圧耐久データを示す図

符号の説明

１ 燃料電池
２ 水素生成装置
３ ポンプ
４ａ 周波数をスイープさせた際のインピーダンス
４ｂ 等価回路ｂで表せるインピーダンス
４ｃ 等価回路ｃで表せるインピーダンス
４ｄ 等価回路ｄで表せるインピーダンス
５ フィルター
６ 加湿器
７ ポンプ
８ インバータ
９ ブロア

Claims (14)

1. 所定の運転条件での燃料電池の運転中に、前記燃料電池の電圧又はインピーダンスを所定時間計測する計測工程と、
   前記燃料電池の温度と出力電圧又はインピーダンスの時間変化との関係、及び前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の出力電圧又はインピーダンスが前記燃料電池の寿命として設定した閾値に達するまでの時間との関係を有するデータベースに基づいて、前記所定時間における出力電圧又はインピーダンスの変化から前記所定の運転条件の温度換算を行うことにより、前記温度換算の値から導いた前記寿命までの時間と、前記計測工程までの前記燃料電池の運転時間とから、前記所定の運転条件における燃料電池の寿命を算出する算出工程とを備えた、燃料電池システムの寿命測定方法。
2. 前記燃料電池の温度と出力電圧又はインピーダンスの時間変化との関係とは、前記燃料電池の温度と運転時間の対数に対する前記出力電圧又は前記インピーダンスとの関係である、請求項１記載の燃料電池システムの寿命推定方法。
3. 前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の出力電圧又はインピーダンスが前記燃料電池の寿命として設定した閾値に達するまでの時間との関係とは、前記温度に対する前記時間のアレーニウスの関係である、請求項１又は２記載の燃料電池システムの寿命推定方法。
4. 前記インピーダンスとは、複数の周波数での測定によって算出された、前記燃料電池の等価回路における少なくとも１つの抵抗値である、請求項１記載の燃料電池システムの寿命推定方法。
5. 所定の運転条件での燃料電池の運転中、前記運転条件を予め決められた計測条件に変更し、前記燃料電池の等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する計測工程と、
   初期状態での前記計測条件における前記複数の抵抗値と、前記算出された複数の抵抗値を比較し、前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程とを備えた、燃料電池システムの運転方法。
6. 所定の運転条件での燃料電池の運転中、前記運転条件を予め決められた計測条件に変更し、前記燃料電池の等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する計測工程と、
   前記計測条件における前記複数の抵抗値の時間変化のデータベースと、前記計測工程で得られた前記複数の抵抗値とを比較し、前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程とを備えた、燃料電池システムの運転方法。
7. 所定の運転条件での燃料電池の初期状態での、等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する初期抵抗計測工程と、
   前記所定の運転条件での運転中、前記複数の抵抗値を計測する計測工程と、
   前記初期抵抗計測工程で得られた初期の複数の抵抗値と、前記計測工程で得られた複数の抵抗値との比較に基づいて、前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程とを備えた、燃料電池システムの運転方法。
8. 前記他の運転条件とは、前記所定の運転条件に対して、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び／又は酸化剤ガスに対する加湿量に関して変化させた条件である、請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
9. 前記他の運転条件とは、前記所定の運転条件に対して、前記燃料電池に供給される冷却水の量を変化させた条件である、請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
10. 前記他の運転条件とは、前記所定の運転条件に対して、前記燃料電池の負荷電流を変化させた条件である、請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
11. 前記他の運転条件とは、前記所定の運転条件に対して、前記燃料電池に供給される燃料ガスの改質器の温度を変化させた条件である、請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
12. 請求項５又は６記載の燃料電池の運転方法の、前記燃料電池の等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する計測工程、及び前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
13. 請求項７記載の燃料電池の運転方法の、所定の運転条件での前記燃料電池の初期状態での、等価回路における複数の抵抗値を、複数の周波数での測定によって算出する初期抵抗値計測工程、前記所定の運転条件での運転中、前記複数の抵抗値を計測する計測工程、及び前記所定の運転条件を他の運転条件に変更する制御工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
14. 請求項１２又は１３に記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。

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