JP5099991B2

JP5099991B2 - 燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法

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Publication number: JP5099991B2
Application number: JP2005273291A
Authority: JP
Inventors: 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP2007087686A

Description

本発明は、燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置の劣化状態を診断するための制御プログラム並びに制御方法に関する。

ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００℃程度以下の低温型には、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などがある。

この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いために触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。この固体酸化物型燃料電池は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の３つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。

この平板積層型の固体酸化物型燃料電池は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素（空気）が供給され、燃料極側には燃料ガス（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４など）が供給されるようになっている。

上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている（このような構成の固体酸化物型燃料電池発電装置に関しては、例えば、下記特許文献１参照）。

上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ等）となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応（発電反応）は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。

空気極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２−
燃料極：Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
全体：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

上記反応式から明らかなように、燃料電池の最大出力は供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量により決定されるが、通常はこれらのガスをある程度過剰に供給することによって、燃料電池発電装置を安定して運転させている。従って、供給したガスの一部は上記反応には利用されないことになる。

ここで、供給したガスに対する発電反応に使用される燃料ガスの割合を燃料利用率と呼び、この燃料利用率を燃料電池発電装置の運転上の指標としている。そして、燃料電池の構造や性能に応じて燃料利用率の基準値を定め、燃料利用率が基準値を超えないように、負荷（出力電流量）の変化に対応して燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とを制御することによって出力電力が略一定になるように制御している。このようにガスの流量を変化させて燃料電池発電装置の運転を制御する方法に関しては、例えば下記特許文献２に記載されている。

特開２００２−２６０６９７号公報（第４−９頁、第２図）特開平９−１４７８９３号公報（第５−９頁、第１図）

ここで、燃料電池発電装置は、上述したような化学反応によって電力を発生させるものであるため、燃料電池発電装置の構成部材、特に燃料電池スタックの構成部材の劣化によって出力電流と出力電圧との関係（電池特性と呼ぶ。）が変動する。例えば、固体電解質層と空気極層や燃料極層との界面状態が劣化したり、固体電解質層内の酸化物イオンの拡散速度が低下するなどの劣化が生じると発電反応が抑制されて出力電力が低下してしまう。

しかしながら、従来の燃料電池発電装置は、外部負荷に応じて燃料ガスの流量や酸化剤ガスの流量を制御するだけであり、燃料電池発電装置の構成部材の劣化の状態を診断する機能は設けられていないため、燃料電池発電装置の運転を定期的に停止し、各構成部材の劣化状態を点検する必要があり、効率的に発電を行うことができないという問題があった。また、燃料電池発電装置の劣化を見過ごして運転を続けてしまった場合には燃料電池発電装置が損傷を受けてしまうなどの問題もあった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、発電中においても、その劣化状態を正確に診断することができる燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置の劣化状態を診断するための制御プログラム並びに制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御するガス流量制御手段を含む制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成され、前記制御部に、前記ガス流量制御手段により少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定手段と、前記出力電圧測定手段により測定された過去の出力電圧を記憶する記憶手段と、前記出力電圧測定手段により測定された現在の出力電圧と、前記記憶手段に記憶された過去の出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断手段と、を少なくとも備え、前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断するものである。

また、本発明の燃料電池発電装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御するガス流量制御手段を含む制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成され、前記制御部に、前記ガス流量制御手段により、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定手段と、シミュレーションによって計算された出力電圧を記憶する記憶手段と、前記出力電圧測定手段により測定された出力電圧と、前記記憶手段に記憶された計算された出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断手段と、を少なくとも備え、前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断するものである。

本発明においては、前記出力電圧測定手段は、更に、前記ガス流量制御手段により前記酸化剤ガスの流量が略一定となるように制御された状態で前記出力電圧を測定する構成とすることができる。

また、本発明においては、前記燃料電池発電装置は固体酸化物型燃料電池発電装置とすることが好ましい。

また、本発明の制御プログラムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を少なくとも備え、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成される燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定手段、前記出力電圧測定手段により測定された現在の出力電圧と、予め記憶された過去の出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断手段、として機能させ、前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断するものである。

また、本発明の制御プログラムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を少なくとも備え、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成される燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する出力電圧測定手段、前記出力電圧測定手段により測定された出力電圧と、予めシミュレーションによって計算された出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断手段、として機能させ、前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断するものである。

また、本発明の制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を少なくとも備え、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成される燃料電池発電装置の制御方法であって、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御するガス流量制御ステップと、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定ステップと、現在の出力電圧と、予め記憶された過去の出力電圧とを比較する比較ステップと、前記現在の出力電圧と前記過去の出力電圧との比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断ステップと、を少なくとも備え、前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断するものである。

また、本発明の制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を少なくとも備え、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成される燃料電池発電装置の制御方法であって、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御するガス流量制御ステップと、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定ステップと、測定した出力電圧と、シミュレーションによって計算した出力電圧とを比較する比較ステップと、前記測定した出力電圧と前記計算した出力電圧との比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断ステップと、を少なくとも備え、前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断するものである。

このように、本発明の燃料電池発電装置には、燃料電池発電装置の劣化状態を診断するためのモードが設けられており、定期的にこのモードを実施することによって燃料電池発電装置の劣化の状態を把握して適切な処理を施すことができるため、燃料電池発電装置を常に良好な状態で稼働させることができる。

本発明の燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法によれば、燃料電池発電装置を常に良好な状態で稼働させることができる。

その理由は、本発明の燃料電池発電装置には、外部負荷に応じて燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とを制御して動作させるモード（自動運転モード）と、少なくとも燃料ガスの流量を略一定に制御した状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定するモード（評価モード）とが選択可能に構成され、評価モードでは、現在の出力電圧と記憶手段に記憶された過去の出力電圧又はシミュレーションにより計算値された出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池発電装置の劣化状態を診断することができるからである。

従来技術で示したように、燃料電池として平板積層型の固体酸化物型燃料電池が広く用いられており、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とを制御することによって安定した出力電圧で燃料電池発電装置を運転させることができるが、従来の燃料電池発電装置には燃料電池発電装置の経時的な劣化を診断する機能が設けられていないため、定期的に運転を停止して各構成部材の劣化の状態を点検しなければならないという問題があった。

そこで、本発明では、燃料電池発電装置の運転を停止することなく、常に良好な状態で稼働させることができるように、外部負荷に応じて燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とを制御して動作させるモード（自動運転モード）に加えて、少なくとも燃料ガスの流量を略一定にした状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定するモード（評価モード）を設け、自動運転モードと評価モードとを任意に切り替えることができるように構成して、出力電圧に基づいて燃料電池発電装置の劣化状態を正確に診断することができるようにしている。以下、その具体的構成について、図面を参照して説明する。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法について、図１乃至図９を参照して説明する。図１は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図であり、図２は、燃料電池発電装置の制御部の構成を示すブロック図である。また、図３は、本実施例の燃料電池モジュールの具体的構成例を示す図であり、図４は、燃料電池モジュール内の燃料電池スタックの具体的構成例を示す図である。また、図５及び図６は、燃料電池発電装置の発電特性を示す図であり、図７及び図８は、本実施例の評価手順を示すフローチャート図である。また、図９は、本実施例の評価に際して使用する履歴情報の具体例を示す図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池発電装置１は、燃料ガス（水素や炭化水素ガスなど）の流量と酸化剤ガス（酸素や空気など）の流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガス（本実施例では空気とする。）を導入する空気ブロア６や空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガスブロア７や燃料ガス供給配管などの燃料供給系と、燃料電池モジュール２内に配設され、燃料供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料電池スタック３からの直流出力を交流出力に変換して交流電力を外部負荷に供給するインバータ８と、各種制御を行う制御部５とを備えている。

また、図２に示すように、制御部５には、燃料電池発電装置１に設けられたボタンやスイッチなどの操作を検出して燃料電池発電装置１の動作モードを切り替えるモード切替手段１０と、選択されたモードに応じて燃料ガスや空気の流量を制御するガス流量制御手段１１と、燃料電池スタック３の出力電圧を測定する出力電圧測定手段１２と、過去の出力電圧やシミュレーションによって計算された出力電圧などを記憶する記憶手段１４と、出力電圧測定手段１２で測定した現在の出力電圧と記憶手段１４に記憶された過去の出力電圧や計算された出力電圧とを比較して燃料電池発電装置１の劣化状態を診断する劣化診断手段１３とを備えている。なお、この制御部５は通常、燃料電池発電装置１の制御装置内に設けられており、制御装置の演算処理部や表示部、操作部などと協働して動作するように構成されている。また、上記各手段は制御装置内のハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータを、出力電圧測定手段１２及び劣化診断手段１３として機能させる制御プログラムとして構成し、該制御プログラムを制御装置で実行させるようにしてもよい。

図１に示した燃料電池発電装置１の燃料電池モジュール２や燃料電池スタック３の構成は特に限定されないが、例えば、図３及び図４に示すような構成とすることができる。具体的に説明すると、燃料電池モジュール２内に配置される燃料電池スタック３は、固体電解質層３１の両面に燃料極層３２と空気極層３０とを配置した発電セル３３と、燃料極層３２の外側に配置した燃料極集電体２９と、空気極層３０の外側に配置した空気極集電体２８と、各集電体の外側に配したセパレータ２７とからなる単セルが縦方向に多数積層されて構成されている。

固体電解質層３１はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３２はＮｉ、Ｃｏ等の金属又はＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層３０はＬａＭｎＯ_３、ＬａＣｏＯ_３等で構成されている。また、燃料極集電体２９はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体２８はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ２７はステンレス等で構成されている。

また、セパレータ２７は、発電セル３３間を電気的に接続すると共に、発電セル３３に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ２７の外周面から導入して燃料極集電体２９に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ２７の外周面から導入して空気極集電体２８に対向する面に吐出する酸化剤ガス通路とを備えている。

また、この燃料電池スタック３の両側にはステンレス等で形成された一対の端板２５、２６が配置されており、燃料電池スタック３の電力はこの上下一対の端板２５、２６を介して外部に取り出すことができるようになっている。

また、燃料電池スタック３の側方には、外部からの燃料ガスを各セパレータ２７に分配、供給する燃料用マニホールド２２と、外部からの酸化剤ガス（空気）を各セパレータ２７に分配、供給する酸化剤用マニホールド２１とが配置されている。この燃料用マニホールドは多数の接続管２４を介して各セパレータ２７の燃料ガス通路に接続されており、酸化剤用マニホールド２１は多数の接続管２３を介して各セパレータ２７の酸化剤ガス通路に接続されている。そして、これらの燃料電池スタック３や各マニホールド２１、２２を円筒状の断熱ハウジング内に収納することによって燃料電池モジュール２が構成されている。

なお、この燃料電池スタック３は、発電セル３３の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造となっており、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ２７の略中心部から発電セル３３に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を発電セル３３の外周方向に拡散させながら燃料極層３２及び空気極層３０の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル３３の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは排気穴より燃料電池モジュール２外に排出されるようになっている。

次に、上記構成の燃料電池発電装置１の電池特性について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、燃料（水素）の流量を変えた場合の電池特性を示す図であり、図６は、発電セルの性能が変化した場合の電池特性を示す図である。

図５に示すように、燃料電池は、電流を引き出すにつれて電池の内部抵抗により出力電圧が徐々に低下し、ある電流値を超えると出力電圧が急激に低下する特性を示す。この出力電圧が急激に低下する電流値は、供給する燃料ガスが引き出せる最大電流値であり、燃料利用率１００％に対応する。従って、供給する燃料ガスが増加すれば最大電流値も大きくなるため、電流値を横軸、電圧値を縦軸にしたときの電池特性の傾きは小さくなる。

例えば、燃料ガスとして水素を用いた場合、水素の流量が３４０ｍｌ／ｍｉｎ（実線）の場合の最大電流量は４８．５Ａであるのに対し、水素の流量を２倍の６８０ｍｌ／ｍｉｎ（一点鎖線）に増やすと最大電流量は９７Ａに増加し、一方、水素の流量を半分の１７０ｍｌ／ｍｉｎ（破線）に減らすと最大電流量は２４．２Ａに減少する。

ここで、燃料ガスが持つ発熱量（Ｗ）に対する電力（Ｗ）の割合を発電効率と呼ぶが、燃料利用率を高くなれば発電効率が高くなることから、燃料電池発電装置を運転させる場合は、燃料利用率が高い状態で負荷に応じた出力電力が得られるように燃料ガスの流量が制御される。例えば、負荷が６００Ｗ程度の場合は、出力電流は２０Ａ程度でよいことから、水素の流量を１７０ｍｌ／ｍｉｎ（破線）として運転を行い、負荷が変動した場合は負荷の増加（又は減少）に伴って水素の流量を大きく（又は小さく）し、常に燃料利用率が高い状態が運転が行われるように制御している。このような制御が行われるモードを自動運転モードと呼ぶ。

一方、従来技術で示したように、例えば、固体電解質層と空気極層や燃料極層との界面の状態が劣化したり、固体電解質層内の酸化物イオンの拡散速度が低下するなど、燃料電池発電装置の構成部材、特に燃料電池スタックの構成部材が劣化すると電池特性も変化する。例えば、図６に示すように、燃料ガスの流量がある値の場合における通常の状態での発電特性を実線とすると、上述した劣化によって発電セルの性能が低下すると、発電反応が抑制されて出力電圧の低下が大きくなり、図の破線のような発電特性となる。逆に、発電セルの性能が向上すると、発電反応が促進されて出力電圧の低下が小さくなり図の一点鎖線のような発電特性となる。

そこで、本実施例では、上記電池特性の変化を利用して燃料電池発電装置の劣化状態を診断する。具体的には、図５に示すように燃料ガスの流量が変化すると電池特性自体も変化してしまうことから、燃料ガスの流量を略一定に制御し、引き出す電流を一定にした時の燃料電池スタックの出力電圧を測定し、その出力電圧と予め記憶した基準値とを比較することによって燃料電池発電装置の劣化状態を診断する。このような制御が行われるモードを評価モードと呼ぶ。なお、図５では酸化剤ガス（空気）の流量を変化させた場合について記載していないが、発電反応に必要な量の酸化剤ガス（空気）が供給されない場合は燃料ガスを有効に利用することができないことから、評価モードでは、燃料ガスの流量に加えて酸化剤ガス（空気）の流量も略一定に制御することが好ましい。

以下、上記手法を用いた劣化診断の具体的手順について、図７のフローチャート図を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）にある燃料電池モジュール２を制御装置のボタン操作などによって始動すると、ステップＳ１０２で、燃料電池モジュール２内の設けられたヒータ等の加熱手段（図示せず）によって燃料電池スタック３を加熱、昇温し、燃料電池モジュール２をコールドスタンバイ状態からホットスタンバイ状態に移行させる起動工程が実行される。例えば、固体酸化物型燃料電池の場合、ホットスタンバイ状態における燃料電池スタック３の温度は運転可能下限温度である６５０℃前後に設定されており、起動工程では燃料電池スタック３を６５０℃前後まで加熱、昇温する。

そして、燃料電池スタック３が運転可能下限温度まで昇温されたら（ステップＳ１０３）、ステップＳ１０４で、上述した自動運転モードにて運転を開始する。自動運転モードは、例えば、ホットスタンバイ状態（出力０Ｗ）から燃料電池スタック３の温度を上げながら定格（例えば、出力３００Ｗ）まで徐々に取得電流を増加させる第１の運転パターンと、定格出力到達後、定格出力範囲内（例えば、出力３００〜１ＫＷ）において燃料電池スタック３の温度と出力を一定に保持する第２の運転パターンと、定格出力時に燃料電池スタック３の温度を下げながら徐々に取得電流を下げてホットスタンバイ状態（出力０Ｗ）に移行する第３の運転パターンなどで構成され、第２の運転パターンでは、ガス流量制御手段１１は、上述したように取り出す電流を一定にした時の出力電圧が略一定の値になるように燃料ガスや空気の流量を制御する。なお、ここではホットスタンバイ状態になったら自動運転モードで運転が行われる場合を示したが、ホットスタンバイ状態になった後、オペレータに自動運転モード又は評価モードのいずれかを選択させ、その選択結果に応じて運転モードが設定されるようにしてもよい。

この自動運転モードによる運転は従来と同様であるが、本実施例では自動運転モード実行中の任意の段階で、評価モードに移行できるようにしている。具体的には、ステップＳ１０５で、オペレータが制御装置に予め設けられたボタンやスイッチを押したり、タッチパネルを操作するなどしてモードの変更を指示すると、制御部５のモード切替手段１０は、ボタンやスイッチの押下、タッチパネルの操作などを検出して、運転モードを現在の自動運転モードから評価モードに切り替える。

そして、ステップＳ１０６で、ガス流量制御手段１１は、燃料ガスブロア７や空気ブロア６などを制御して、燃料ガスと空気の流量を略一定に保つように制御する。その際、燃料ガス及び空気の流量はモードの切替が指示された時点における流量が維持されるように制御してもよいし、予め定められた流量になるように制御してもよい。なお、空気の流量は必ずしも制御しなくてもよいが、前述したように空気の供給量が少なくなると発電反応が抑制されることから、より正確な劣化診断を行うためには燃料ガスと空気の双方の流量を制御することが好ましい。

次に、ステップＳ１０７で、出力電圧測定手段１２は、引き出す電流を略一定にした時の燃料電池発電装置１の出力電圧（すなわち、燃料電池スタック３の端板２５及び端板２６の両端の電圧）を測定し、測定した出力電圧を劣化診断手段１３に通知する。

次に、劣化診断手段１３は、出力電圧測定手段１２から通知された出力電圧に基づいて燃料電池発電装置１の劣化状態を診断する。具体的には、記憶手段１４には、図９に示すように、以前の評価モード時に測定した出力電圧が履歴情報として記憶されており、劣化診断手段１３は、ステップＳ１０８で、現在の出力電圧と過去の出力電圧とを比較（直前の出力電圧と比較してもよいし、過去の複数の出力電圧と比較してもよい。）し、ステップＳ１０９で、その比較結果に基づいて、例えば、現在の出力電圧と過去の出力電圧との差分が予め定めた値を超えた場合に燃料電池発電装置１が劣化したと診断する。

そして、現在の出力電圧を記憶手段１４に記憶して履歴情報に追加した後、ステップＳ１１０で、燃料電池発電装置１が劣化していると診断された場合には、その旨をモニタに表示するなどしてオペレータに通知し、オペレータは、ステップＳ１１２で、燃料電池発電装置１の運転を停止して保守、点検を行うなどの適切な処理を実施する。一方、燃料電池発電装置１が劣化していないと診断された場合は、ステップＳ１１１で、評価モードを継続するか否かを選択し、評価モードを終了する場合は、制御装置に予め設けられたボタンやスイッチを押したり、タッチパネルを操作するなどしてモードの変更を指示し、ステップＳ１０４に戻って自動運転モードでの運転を再開する。また、評価モードを継続する場合は、ステップＳ１０７に戻って出力電圧を測定し、同様に過去の出力電圧を比較して燃料電池発電装置１の劣化状態を診断する。

なお、上記説明では、１回の電圧測定で燃料電池モジュール２の劣化を診断したが、例えば、出力電圧が少しずつ低下している場合に、直前の履歴情報と比較してもその変化量が小さいために燃料電池発電装置１の劣化状態を正確に診断することができない。そこで、評価モードを所定の時間、継続して実行して、出力電圧の変化の傾向を判断し、例えば、出力電圧の変化量が徐々に大きくなってきている場合は劣化していると診断するなど、変化の傾向に基づいて燃料電池発電装置１の劣化状態を診断してもよい。

上記手順は、現在の出力電圧と過去の出力電圧とを比較する方法であるが、燃料電池発電装置１の発電状態をシミュレーションすることができる場合は、シミュレーションにより計算された出力電圧と比較して燃料電池発電装置１の劣化状態を診断することもできる。その場合の手順について、図８のフローチャート図を参照して説明する。

まず、図７のフローと同様に、ステップＳ２０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）にある燃料電池モジュール２をホットスタンバイ状態に移行して、自動運転モードにて運転を開始する（ステップＳ２０１〜Ｓ２０４）。

次に、ステップＳ２０５で、オペレータがモードの変更を指示すると、制御部５のモード切替手段１０は運転モードを現在の自動運転モードから評価モードに切り替え、ステップＳ２０６で、ガス流量制御手段１１は、燃料ガスブロア７や空気ブロア６などを制御して、燃料ガスの流量と必要に応じて空気の流量とを、その時の流量又は予め定めた流量に保つように制御する。

次に、ステップＳ２０７で、出力電圧測定手段１２は、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定し、劣化診断手段１３は、出力電圧測定手段１２から通知された出力電圧に基づいて燃料電池モジュール２の劣化状態を診断する。具体的には、予め燃料電池発電装置１の発電状態をシミュレーションしておき、燃料ガスや空気の流量をパラメータとして出力電圧を計算して記憶手段１４に記憶しておき、劣化診断手段１３は、ステップＳ２０８で、現在の出力電圧と、現在の燃料ガスや空気の流量に対応する出力電圧とを比較し、ステップＳ２０９で、その比較結果に基づいて、例えば、測定した出力電圧と計算された出力電圧との差分が予め定めた値を超えている場合に、燃料電池発電装置１が劣化したと診断する。

そして、ステップＳ２１０で、燃料電池発電装置１が劣化していると診断された場合には、その旨をモニタに表示するなどしてオペレータに通知し、オペレータは、ステップＳ２１２で、燃料電池発電装置１の運転を停止して保守、点検を行うなどの適切な処理を実施する。一方、燃料電池発電装置１が劣化していないと診断された場合は、ステップＳ２１１で、モードを変更するかを選択し、モードを変更する場合はステップＳ２０４に戻って自動運転モードでの運転を再開し、モードを変更しない場合はステップＳ２０７に戻って劣化診断を継続する。なお、この場合において、１回の出力電圧の測定で燃料電池発電装置１の劣化状態を診断してもよいし、所定の時間、継続して実行して、出力電圧の変化の傾向を判断し、その傾向に基づいて燃料電池発電装置１の劣化状態を診断してもよい。

このように、本実施例の燃料電池発電装置１には、外部負荷に応じて燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御する自動運転モードと、燃料ガス及び必要に応じて酸化剤ガスの流量を略一定に制御した状態で、引き出す電流を略一定にしたときの出力電圧を測定し、現在の出力電圧と過去の出力電圧又はシミュレーションによって計算された出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池発電装置１の劣化状態を診断する評価モードとが設けられているため、定期的に又は任意の時点で評価モードを実行することにより、運転を行いながら燃料電池発電装置１の劣化状態を確認することができ、これにより燃料電池発電装置１を常に良好な状態で稼働させることができる。

なお、上記実施例では、燃料電池発電装置１に自動運転モードと評価モードの２つのモードを設けたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、自動運転モードや評価モードを更に複数のモードに分けたり、他のモードを追加するなどの変更が可能である。

本発明の劣化診断手法は、固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、アルカリ型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置に対しても同様に適用することができる。

本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の制御部の構成を示すブロック図である。本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの具体的構成を示す図である。本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成を示す図である。燃料ガスの流量を変化させた場合の電池特性を示す図である。電池セルの性能が変化した場合の電池特性を示す図である。本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた劣化診断の手順を示すフローチャート図である。本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた劣化診断の手順を示すフローチャート図である。本発明の劣化診断で利用する履歴情報の例を示す図である。

符号の説明

１燃料電池発電装置
２燃料電池モジュール
３燃料電池スタック
４燃料改質器
５制御部
６空気ブロア
７燃料ガスブロア
８インバータ
１０モード切替手段
１１ガス流量制御手段
１２出力電圧測定手段
１３劣化診断手段
１４記憶手段
２１酸化剤用マニホールド
２２燃料用マニホールド
２３、２４接続管
２５、２６端板
２７セパレータ
２８空気極集電体
２９燃料極集電体
３０空気極層
３１固体電解質層
３２燃料極

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御するガス流量制御手段を含む制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、
少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成され、
前記制御部に、
前記ガス流量制御手段により少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定手段と、
前記出力電圧測定手段により測定された過去の出力電圧を記憶する記憶手段と、
前記出力電圧測定手段により測定された現在の出力電圧と、前記記憶手段に記憶された過去の出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断手段と、を少なくとも備え、
前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する、
ることを特徴とする燃料電池発電装置。
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御するガス流量制御手段を含む制御部と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、
少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成され、
前記制御部に、
前記ガス流量制御手段により、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定手段と、
シミュレーションによって計算された出力電圧を記憶する記憶手段と、
前記出力電圧測定手段により測定された出力電圧と、前記記憶手段に記憶された計算された出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断手段と、を少なくとも備え、
前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する、
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
前記出力電圧測定手段は、更に、前記ガス流量制御手段により前記酸化剤ガスの流量が略一定となるように制御された状態で前記出力電圧を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
前記燃料電池発電装置は、固体酸化物型燃料電池発電装置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池発電装置。
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を少なくとも備え、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成される燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
コンピュータを、
少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定手段、
前記出力電圧測定手段により測定された現在の出力電圧と、予め記憶された過去の出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断手段、として機能させ、
前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断することを特徴とする制御プログラム。
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を少なくとも備え、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成される燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
コンピュータを、
少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する出力電圧測定手段、
前記出力電圧測定手段により測定された出力電圧と、予めシミュレーションによって計算された出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断手段、として機能させ、
前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断することを特徴とする制御プログラム。
前記出力電圧測定手段は、更に、前記ガス流量制御手段により前記酸化剤ガスの流量が略一定となるように制御された状態で前記出力電圧を測定することを特徴とする請求項５又は６に記載の制御プログラム。
前記燃料電池発電装置は、固体酸化物型燃料電池発電装置であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一に記載の制御プログラム。
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を少なくとも備え、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成される燃料電池発電装置の制御方法であって、
少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御するガス流量制御ステップと、
引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定ステップと、
現在の出力電圧と、予め記憶された過去の出力電圧とを比較する比較ステップと、
前記現在の出力電圧と前記過去の出力電圧との比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断ステップと、を少なくとも備え、
前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を少なくとも備え、外部負荷に応じて前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する第１のモードと、少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御された状態で、引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する第２のモードと、が選択可能に構成される燃料電池発電装置の制御方法であって、
少なくとも前記燃料ガスの流量が略一定となるように制御するガス流量制御ステップと、
引き出す電流を略一定にした時の出力電圧を測定する出力電圧測定ステップと、
測定した出力電圧と、シミュレーションによって計算した出力電圧とを比較する比較ステップと、
前記測定した出力電圧と前記計算した出力電圧との比較結果に基づいて前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断する劣化診断ステップと、を少なくとも備え、
前記第２のモードが選択された時、前記燃料電池発電装置の運転中に前記燃料電池発電装置の劣化状態を診断することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
前記ガス流量制御ステップでは、更に、前記酸化剤ガスの流量が略一定となるように制御することを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
前記燃料電池発電装置は、固体酸化物型燃料電池発電装置であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一に記載の燃料電池発電装置の制御方法。