JPH11195423A - 燃料電池発電装置及び燃料電池劣化診断方法 - Google Patents

燃料電池発電装置及び燃料電池劣化診断方法

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JPH11195423A
JPH11195423A JP9345133A JP34513397A JPH11195423A JP H11195423 A JPH11195423 A JP H11195423A JP 9345133 A JP9345133 A JP 9345133A JP 34513397 A JP34513397 A JP 34513397A JP H11195423 A JPH11195423 A JP H11195423A
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current
voltage
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JP9345133A
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Tadatoshi Babasaki
忠利 馬場崎
Tetsuo Take
武　　哲夫
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】発電可能なセルスタックを劣化と判断してしま
うのを防止して、有効にセルスタックを利用できる燃料
電池発電装置及び燃料電池劣化診断方法を提供すること
にある。 【解決手段】燃料から水素をつくる改質装置２と、電解
質７をサンドイッチした燃料極６と酸素極８からなり、
酸素と水素から電気エネルギーを出力するセルスタック
５と、セルスタック５からの電気エネルギーを適度な電
圧に変換する電力変換装置１０と、電力変換装置１０の
入力電流を変化させる入力電流制御回路１５と、セルス
タック５からの出力電圧を検出する電圧検出回路１１
と、セルスタック５からの出力電流を検出する電流検出
回路１６と、電圧検出回路１１の出力と電流検出回路１
６の出力を入力とし、セルスタック５の出力電圧／出力
電流比からセルスタック５の劣化を判断する劣化診断回
路とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料及び空気から
電気エネルギーを出力する燃料電池発電装置及び燃料電
池劣化診断方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図９に燃料電池発電装置の従来例とし
て、都市ガスを燃料としたリン酸型燃料電池発電装置の
構成を示す。本装置の主な構成要素は、改質装置、セル
スタック、電力変換装置である。以下に図９を用いて、
この従来の燃料電池発電装置の作用について説明する。
【０００３】従来の燃料電池発電装置は、都市ガス等の
燃料１を水素３に変換するために改質装置２に入力す
る。セルスタック５は、酸素４と、改質装置２からの水
素３が供給されたときに化学反応により電気エネルギー
９を出力する。前記セルスタック５から出力された電気
エネルギー９は電力変換装置１０に入力され、適度な電
圧に変換されて負荷に供給される。
【０００４】ここで、セルスタック５の出力電圧は電圧
検出回路１１により常時検出され、電圧検出回路１１で
はセルスタック５の出力電圧に相当する電圧信号を出力
する。電圧検出回路１１から出力される電圧信号と基準
電圧回路１２から出力される電圧信号とは比較回路１３
に入力され、基準電圧回路１２の出力信号より電圧検出
回路１１の出力信号が小さいときに比較回路１３から劣
化信号１４を出力する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た電圧検出回路１１を用いて出力電圧によりセルスタッ
ク５の劣化を判定した場合、セルスタック５の発電能力
を十分に使いきれずに劣化（＝発電能力不足）と判断す
る恐れがある。すなわち、セルスタック５の出力電圧は
セルスタック５の劣化とともに低下するが、燃料１を改
質した水素３の供給流量を増加すれば、セルスタック５
は定格電力の発電が可能で、セルスタック５はまだ劣化
（＝発電能力不足）に到っていない。
【０００６】本発明はこのような課題に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、発電可能なセ
ルスタックを劣化（＝発電能力不足）と判断してしまう
のを防止して、有効にセルスタックを利用できる燃料電
池発電装置及び燃料電池劣化診断方法を提供することに
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の発明に係る燃料電池発電装置は、燃料から
水素をつくるための改質装置と、電解質をサンドイッチ
した燃料極と酸素極の積層体からなり、酸素と、前記改
質装置からの水素が供給されたときに化学反応により電
気エネルギーを出力するセルスタックと、このセルスタ
ックからの電気エネルギーを適度な電圧に変換する電力
変換装置と、この電力変換装置の入力電流を変化させる
入力電流制御回路と、前記セルスタックから出力される
出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記セルスタック
から出力される出力電流を検出する電流検出回路と、前
記電圧検出回路の出力と前記電流検出回路の出力を入力
とし、前記セルスタック出力の出力電圧／出力電流比を
求め、この出力電圧／出力電流比からセルスタックの劣
化を判断する劣化診断回路とを具備する。
【０００８】また、第２の発明に係る燃料電池劣化診断
方法は、燃料から水素をつくるための改質工程と、電解
質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からなる
セルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた水素
とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、この電
気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工程と、
この電力変換工程における入力電流を変化させる入力電
流制御工程と、前記セルスタックから出力される出力電
圧を検出する電圧検出工程と、前記セルスタックから出
力される出力電流を検出する電流検出工程と、前記電圧
検出工程で得られた出力と前記電流検出工程で得られた
出力を入力とし、前記セルスタック出力の出力電圧／出
力電流比を求め、この出力電圧／出力電流比から前記セ
ルスタックの劣化を判断する劣化診断工程とを具備す
る。
【０００９】また、第３の発明に係る燃料電池発電装置
は、燃料から水素をつくるための改質装置と、電解質を
サンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からなり、酸
素と、前記改質装置からの水素が供給されたときに化学
反応により電気エネルギーを出力するセルスタックと、
このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
変換する電力変換装置と、この電力変換装置の入力電流
を変化させる入力電流制御回路と、前記セルスタックか
ら出力される出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記
セルスタックから出力される出力電流を検出する電流検
出回路と、前記セルスタックの基準の出力電圧電流特性
（Ｉ−Ｖ特性）の傾きを記憶しておく基準特性回路と、
前記電圧検出回路と電流検出回路の出力から前記セルス
タックの出力電圧電流特性（Ｉ−Ｖ特性）の傾きを算出
する傾き算出回路と、この傾き算出回路の出力と前記基
準特性回路の出力とを比較する傾き比較回路と、前記入
力電流制御回路に接続され、測定前の定格電流値を記憶
する電流値記憶回路と、この電流値記憶回路の出力と前
記傾き比較回路の出力とを比較する電流値比較回路とを
具備することを特徴とする。
【００１０】また、第４の発明に係る燃料電池劣化診断
方法は、燃料から水素をつくるための改質工程と、電解
質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からなる
セルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた水素
とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、この電
気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工程と、
この電力変換工程における入力電流を変化させる入力電
流制御工程と、前記セルスタックから出力される出力電
圧を検出する電圧検出工程と、前記セルスタックから出
力される出力電流を検出する電流検出工程と、前記セル
スタックの基準の出力電圧電流特性の傾きを記憶してお
く基準特性記憶工程と、前記電圧検出工程と電流検出工
程で得られた出力から前記セルスタックの出力電圧電流
特性の傾きを算出する傾き算出工程と、この傾き算出工
程で得られた出力と前記基準特性記憶工程で得られた出
力とを比較する傾き比較工程と、前記入力電流制御工程
を制御し、測定前の定格電流値を記憶する電流値記憶工
程と、この電流値記憶工程で得られた出力と前記傾き比
較工程で得られた出力とを比較する電流値比較工程とを
具備することを特徴とする。
【００１１】また、第５の発明に係る燃料電池発電装置
は、燃料から水素をつくるための改質装置と、電解質を
サンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からなり、酸
素と、前記改質装置からの水素が供給されたときに化学
反応により電気エネルギーを出力するセルスタックと、
このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
変換する電力変換装置と、この電力変換装置の入力電流
を変化させる入力電流制御回路と、前記セルスタックか
ら出力される出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記
セルスタックから出力される出力電流を検出する電流検
出回路と、前記電圧検出回路の出力と前記電流検出回路
の出力を入力とし、前記セルスタックの最大発電量を求
める電力演算回路と、劣化の基準となる最大発電量を出
力する基準特性回路と、この基準特性回路の出力と前記
電力演算回路の出力とを比較して前記セルスタックの劣
化を判断する比較回路とを具備する。
【００１２】また、第６の発明に係る燃料電池劣化診断
方法は、燃料から水素をつくるための改質工程と、電解
質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からなる
セルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた水素
とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、この電
気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工程と、
この電力変換工程における入力電流を変化させる入力電
流制御工程と、前記セルスタックから出力される出力電
圧を検出する電圧検出工程と、前記セルスタックから出
力される出力電流を検出する電流検出工程と、前記電圧
検出工程で得られた出力と前記電流検出工程で得られた
出力を入力とし、前記セルスタックの最大発電量を求め
る電力演算工程と、劣化の基準となる最大発電量を出力
する基準特性出力工程と、この基準特性出力工程におけ
る出力と前記電力演算工程における出力とを比較して前
記セルスタックの劣化を判断する比較工程とを具備す
る。
【００１３】また、第７の発明に係る燃料電池発電装置
は、燃料から水素をつくるための改質装置と、電解質を
サンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からなり、酸
素と、前記改質装置からの水素が供給されたときに化学
反応により電気エネルギーを出力するセルスタックと、
このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
変換する電力変換装置と、この電力変換装置を制御して
前記セルスタックの出力を微小変化させる入力電流制御
回路と、前記セルスタックから出力される出力電圧を検
出する電圧検出回路と、前記セルスタックから出力され
る出力電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回
路の出力と前記電流検出回路の出力を入力とし、前記セ
ルスタックの出力電圧電流特性を求めて、最大発電量を
推定し、最大発電量を出力する電力演算回路と、劣化の
基準となる最大発電量を出力する基準特性回路と、この
基準特性回路の出力と前記電力演算回路の出力とを比較
して前記セルスタックの劣化を判断する比較回路とを具
備する。
【００１４】また、第８の発明に係る燃料電池劣化診断
方法は、燃料から水素をつくるための改質工程と、電解
質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からなる
セルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた水素
とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、この電
気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工程と、
この電力変換工程を制御して前記セルスタックの出力を
微小変化させる入力電流制御工程と、前記セルスタック
から出力される出力電圧を検出する電圧検出工程と、前
記セルスタックから出力される出力電流を検出する電流
検出工程と、前記電圧検出工程で得られた出力と前記電
流検出工程で得られた出力を入力とし、前記セルスタッ
クの出力電圧電流特性を求めて、最大発電量を推定し、
最大発電量を出力する電力演算工程と、劣化の基準とな
る最大発電量を出力する基準特性出力工程と、この基準
特性出力工程における出力と前記電力演算工程における
出力とを比較して前記セルスタックの劣化を判断する比
較工程とを具備する。
【００１５】また、第９の発明に係る燃料電池発電装置
は、燃料から水素をつくるための改質装置と、電解質を
サンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からなり、酸
素と、前記改質装置からの水素が供給されたときに化学
反応により電気エネルギーを出力するセルスタックと、
このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
変換する電力変換装置と、この電力変換装置の入力電流
を変化させる入力電流制御回路と、この入力電流制御回
路に定期的に信号を送り、定期的に測定を行うためのタ
イマーと、前記セルスタックから出力される出力電圧を
検出する電圧検出回路と、前記セルスタックから出力さ
れる出力電流を検出する電流検出回路と、前記セルスタ
ックの出力電圧電流特性から出力電圧電流特性の傾きと
無負荷時の電圧を推定する特性演算回路と、この特性演
算回路の出力と前記タイマーの出力とから推定される前
記セルスタックの出力電圧電流特性の傾き及び無負荷時
の電圧を運転時間とともに記憶する記憶回路と、この記
憶回路に記憶されたセルスタックの出力電圧電流特性の
傾き及び無負荷時の電圧と運転時間を入力とし、当該セ
ルスタックの出力電圧電流特性の傾き及び無負荷時の電
圧が基準の出力電圧電流特性の傾き及び無負荷時の電圧
に到るまでの時間を推定する残寿命推定回路とを具備す
ることを特徴とする。
【００１６】また、第１０の発明に係る燃料電池劣化診
断方法は、燃料から水素をつくるための改質工程と、電
解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体からな
るセルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた水
素とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、この
電気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工程
と、この電力変換工程における入力電流を変化させる入
力電流制御工程と、この入力電流制御工程にタイマーか
ら定期的に信号を送り、定期的に測定を行う工程と、前
記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電圧
検出工程と、前記セルスタックから出力される出力電流
を検出する電流検出工程と、前記セルスタックの出力電
圧電流特性から出力電圧電流特性の傾きと無負荷時の電
圧を推定する特性演算工程と、この特性演算工程で得ら
れた出力と前記タイマーの出力とから推定される前記出
力電圧電流特性の傾き及び無負荷時の電圧を運転時間と
ともに記憶する記憶工程と、前記記憶工程で記憶された
セルスタックの出力電圧電流特性の傾き及び無負荷時の
電圧と運転時間を入力とし、当該セルスタックの出力電
圧電流特性の傾き及び無負荷時の電圧が基準の出力電圧
電流特性の傾き及び無負荷時の電圧に到るまでの時間を
推定する残寿命推定工程とを具備することを特徴とす
る。
【００１７】上記した第１〜４の発明においては、定期
的にセルスタックのＩ−Ｖ特性を計測している。そのた
めに、セルスタックのＩ−Ｖ特性の傾きΔＶ／ΔＩが大
きくなる電流値からセルスタックの限界電流値を推定で
きる。一方、限界電流値はセルスタックの劣化とともに
減少してくるので、限界電流値の変化はセルスタックの
劣化推移を把握することができ、さらに、測定時のＩ−
Ｖ特性から推定される限界電流値と現時点のセルスタッ
ク出力電流値との差により、セルスタックの出力容量の
低下状況を把握できる。
【００１８】また、上記した第５〜８の発明において
は、セルスタックのＩ−Ｖ特性から最大発電量を求め、
計測時の最大発電量と基準発電量との比較によって劣化
判断をおこなう。このため、セルスタックの現在の発電
能力及び発電能力の低下を把握でき、セルスタックの発
電能力で劣化を判断するので、セルスタックを有効に利
用できる。
【００１９】また、上記した第９、１０の発明において
は、セルスタックの出力を変化させてセルスタックのＩ
−Ｖ特性を定期的に測定することと、セルスタックのＩ
−Ｖ特性から得られる傾き（＝ΔＶ／ΔＩ）及び切片
（＝無負荷時の電圧推定値）を所定の値と比較すること
によって、セルスタックの劣化を診断する。従来の技術
とは、セルスタックの出力電圧ではなく、セルスタック
のＩ−Ｖ特性からセルスタックの劣化を診断するという
点が異なる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態例を詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形
態例に係る燃料電池発電装置の構成を示す図である。図
９と同一のものは同一符号で表し、これらのものについ
てはその説明を省略する。第１実施形態例は、セルスタ
ックの出力を変化させてセルスタックのＩ−Ｖ特性を定
期的に測定することと、セルスタックのＩ−Ｖ特性の傾
きΔＶ／ΔＩと所定の傾きとを比較することによって、
セルスタックの劣化を診断することを主要な特徴とす
る。従来の技術とは、セルスタックの出力電圧ではな
く、セルスタックのＩ−Ｖ特性の傾きによってセルスタ
ックの劣化を診断するという点が異なる。
【００２１】すなわち、第１実施形態例は、従来のよう
に、基準電圧回路１２と、基準電圧回路１２の出力と電
圧検出回路１１の出力とを比較して劣化信号１４を出力
する比較回路１３を用いる代わりに、電力変換装置１０
の入力電流を変化させる入力電流制御回路１５、セルス
タック５に接続される電流検出回路１６、セルスタック
５の基準のＩ−Ｖ特性の傾きｋを記憶しておく基準特性
回路１７、電圧検出回路１１と電流検出回路１６の出力
からＩ−Ｖ特性の傾きを算出する傾き算出回路１８、基
準特性回路１７の出力と傾き算出回路１８の出力とを比
較する傾き比較回路１９、入力電流制御回路１５に接続
され、測定前の定格電流値を記憶する電流値記憶回路２
１、電流値記憶回路２１の出力と傾き比較回路１９の出
力とを比較する電流値比較回路２２を新たに設けた点が
異なる。前記した基準特性回路１７、傾き算出回路１
８、傾き比較回路１９、電流値記憶回路２１、電流値比
較回路２２は劣化診断回路を構成する。
【００２２】また、本燃料電池発電装置は、商用電源と
連系して負荷に供給している形態も多く、負荷に一定の
電力を供給しながら、燃料電池発電装置の出力を定期的
に変化させてセルスタックのＩ−Ｖ特性を測定すること
が可能である。もちろん、商用電源と連系していなくて
も負荷状況により、燃料電池発電装置の出力を変化する
ことができる場合にも適用できる。
【００２３】次に第１実施形態例の作用について説明す
る。入力電流制御回路１５は定期的に電力変換装置１０
の出力を変化させ、電力変換装置１０の入力電流を変化
させる。電圧検出回路１１は電力変換装置１０の入力電
流変化によるセルスタック５の出力電圧の変化を検出
し、電流検出回路１６は電力変換装置１０の入力電流変
化によるセルスタック５の出力電流を検出する。基準特
性回路１７にはセルスタック５の基準のＩ−Ｖ特性の傾
きｋを記憶しておく。傾き算出回路１８は電圧検出回路
１１の出力と電流検出回路１６の出力を受けて、測定時
のＩ−Ｖ特性の傾きΔＶ／ΔＩに相当する電圧を出力す
る。傾き比較回路１９では基準特性回路１７から出力さ
れる基準の傾きｋと、傾き算出回路１８から出力される
測定時のＩ−Ｖ特性の傾きΔＶ／ΔＩとを比較し、測定
時の傾きΔＶ／ΔＩが基準の傾きｋより小さくなったと
きの電流値（これを、仮限界電流値とする）を求め、電
流値に相当する電圧信号を出力する。電流値記憶回路２
１は電流検出回路１６に接続され、測定前の定格出力電
流を記憶する。電流値比較回路２２では、傾き比較回路
１９の出力に所定の安全率を掛けた電流値と、電流値記
憶回路２１の出力とを比較して、傾き比較回路１９の出
力に所定の安全率を掛けた電流値が電流値記憶回路２１
の出力より低下した場合に劣化信号１４を送出してセル
スタック５の劣化を知らせる。
【００２４】図２は上記した実施形態例の効果を説明す
るための図であり、セルスタックの出力電圧電流特性
（Ｉ−Ｖ特性）を示している。セルスタックの出力電圧
は、出力電流の増加に伴って減少し、限界電流値以上は
出力しない。セルスタックの劣化が進行すると、各電流
値のセルスタックの出力電圧が低下するとともに、限界
電流値も減少する。限界電流値はセルスタックが出力す
ることができる最大電流値であるから、限界電流値が、
測定前の出力電流に近くなるとセルスタックは劣化が生
じていることが判断できる。
【００２５】そこで、セルスタックのＩ−Ｖ特性を計測
し、Ｉ−Ｖ特性の傾きΔＶ／ΔＩの変化から限界電流値
を推定する。例えば、図２においてセルスタックの出力
電流Ｉ０を変化させ、その時の出力電圧Ｖ０よりΔＶ／
ΔＩを随時求める。ΔＶ／ΔＩを、別に用意された基準
傾きｋと比較し、ΔＶ／ΔＩがｋより小さくなった時点
すなわちＩ−Ｖ特性の傾きがより大きくなった時点の電
流値を仮限界電流値と判断する。
【００２６】この仮限界電流値に安全率を掛けたもの、
例えば仮限界電流値の９０％の値（これを劣化基準電流
値とする）と測定前に出力していた定格電流値と比較し
て、劣化基準電流値が定格電流値より小さければ、劣化
信号を送出する。
【００２７】なお、安全率は０〜１００％で自由に選べ
るものとする。更に、上記測定を定期的に行えば、仮限
界電流値の変化により、限界電流値の変化傾向が推定で
き、その傾向と劣化基準電流値との差により、残り寿命
を推定できる。
【００２８】図３は本発明の第２実施形態例及び第３実
施形態例の構成を示す図である。図９と同一のものは同
一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略
する。
【００２９】以下に本発明の第２実施形態例を図３を参
照して説明する。第２実施形態例は、セルスタックの出
力を変化させてセルスタックの最大発電量を求めること
と、計測時の最大発電量と所定の基準発電量とを比較す
ることによって、セルスタックの劣化を診断することを
主要な特徴とする。従来の技術とは、セルスタックの出
力電圧ではなく、セルスタックのＩ一Ｖ特性から得られ
る発電量によってセルスタックの劣化を診断するという
点が異なる。
【００３０】すなわち、第２実施形態例は、図３に示す
ように、従来例のように基準電圧回路１２を用いる代わ
りに、電力変換装置１０の入力電流を変化させる入力電
流制御回路１５、セルスタック５に接続される電流検出
回路１６、セルスタックの劣化の基準発電量を記憶して
おく基準特性回路１７、電圧検出回路１１と電流検出回
路１６の出力からセルスタック５の出力電力を演算し
て、最大発電量を求める電力演算回路２３を新たに設け
た点が従来例とは異なる。また、燃料電池発電装置は、
商用電源と連系して負荷に供給している形態も多く、負
荷に一定の電力を供給しながら、燃料電池発電装置の出
力を定期的に変化させてセルスタックのＩ−Ｖ特性を測
定することが可能である。もちろん、商用電源と連系し
ていなくても負荷状況により、燃料電池発電装置の出力
を変化することができる場合にも適用できる。
【００３１】次に第２実施形態例の作用について図３を
参照して説明する。入力電流制御回路１５は定期的に電
力変換装置１０の出力を変化させ、電力変換装置１０の
入力電流を変化させる。電圧検出回路１１は電力変換装
置１０の入力電流変化によるセルスタック５の出力電圧
の変化を検出し、電流検出回路１６は電力変換装置１０
の入力電流変化によるセルスタック５の出力電流を検出
する。基準特性回路１７はセルスタック５の劣化基準電
力Ｐｒを記憶しておく。電力演算回路２３は電圧検出回
路１１の出力と電流検出回路１６の出力を入力して、最
大発電量を求め、最大発電量に相当する電圧を出力す
る。比較回路１３では基準特性回路１７から出力される
劣化基準発電量Ｐｒと、電力演算回路２３から出力され
る測定時の最大発電量（Ｐreal-max）とを比較し、測定
時の最大発電量（Ｐreal-max）が劣化の基準発電量Ｐｒ
より小さくなったときに劣化信号１４を送出してセルス
タックの劣化を知らせる。
【００３２】図４は上記した第２実施形態例の効果を説
明するための図であり、セルスタックの出力電圧電流特
性（Ｉ−Ｖ特性）と発電量を示している。セルスタック
の出力電圧は、出力電流の増加に伴って減少し、限界電
流値以上は出力しない。セルスタックの劣化が進行する
と、各電流値のセルスタックの出力電圧が低下する。一
方、セルスタックの発電量は出力電流の増加に伴って増
加し、ある電流値で最大発電量に達し、以後減少する。
セルスタックの劣化が進行すると、セルスタックの出力
電圧は低下し、最大発電量も低下する。
【００３３】一方、セルスタックの通常時の発電量（Ｐ
real）は、負荷変動や効率等を考慮して最大発電量（Ｐ
real-max）よりいくらか低い電力量を発電している。一
般に燃料電池発電装置は負荷変動の少ない状態で用いる
方が寿命が長いと言われているので、一定の出力電力で
運用している。従って、セルスタックの劣化が進行して
くると、セルスタックの出力電力は一定だが、最大発電
量が低下する。
【００３４】従って、別に基準となる最大発電量を求め
ておき、この基準発電量と、計測時の最大発電量を比較
し、計測時の最大発電量が基準の最大発電量以下になっ
た場合に劣化と判断する。
【００３５】以下に本発明の第３実施形態例を図３を参
照して説明する。第３実施形態例は、セルスタックの出
力特性によってセルスタックの最大発電量を求めること
と、計測時の推定最大発電量と所定の基準発電量とを比
較することによって、セルスタックの劣化を診断するこ
とを主要な特徴とする。従来の技術とは、セルスタック
の出力電圧ではなく、セルスタックのＩ−Ｖ特性から推
定される最大発電量によってセルスタックの劣化を診断
するという点が異なる。
【００３６】すなわち、第３実施形態例は、図３に示す
ように、図９の従来例とは、基準電圧回路１２が不要に
なった点、電力変換装置１０の入力電流を変化させる入
力電流制御回路１５、セルスタック５に接続される電流
検出回路１６、セルスタックの劣化の基準発電量を記憶
しておく基準特性回路１７、電圧検出回路１１と電流検
出回路１６との出力から最大発電量を求める電力演算回
路２３を新たに設けた点が異なる。
【００３７】次に第３実施形態例の作用について図３を
参照して説明する。電圧検出回路１１はセルスタック５
の出力電圧を検出し、電流検出回路１６はセルスタック
５の出力電流を検出する。入力電流制御回路１５は電力
変換装置１０を制御することによってセルスタック５の
出力を微小変化させる。電力演算回路２３は電圧検出回
路１１の出力及び電流検出回路１６の出力を入力して、
セルスタック５の出力Ｉ−Ｖ特性式を求めて、最大発電
量をを推定し、最大発電量に相当する電圧を出力する。
比較回路１３では基準特性回路１７から出力される劣化
基準発電量Ｐｒと、電力演算回路１８から出力される測
定時の最大発電量（Ｐreal-max）とを比較し、測定時の
最大発電量（Ｐreal-max）が劣化の基準発電量Ｐｒより
小さくなったときに劣化信号１４を送出してセルスタッ
ク５の劣化を知らせる。
【００３８】図５は上記した第３実施形態例の効果を説
明するための図であり、セルスタックの出力電圧電流特
性（Ｉ−Ｖ特性）と発電量を示している。セルスタック
の出力電圧は、出力電流の増加に伴って減少し、限界電
流値以上は出力しない。セルスタックの劣化が進行する
と、各電流値のセルスタックの出力電圧が低下する。一
方、セルスタックの発電量は出力電流の増加に伴って増
加し、ある電流値で最大発電量に達し、以後減少する。
セルスタックの劣化が進行すると、セルスタックの出力
電圧は低下し、最大発電量も低下する（Ｐint-max →Ｐ
real-max）。
【００３９】一方、セルスタックの通常時の発電量（Ｐ
real）は、負荷変動や効率等を考慮して最大発電量（Ｐ
real-max）よりいくらか低い電力量を発電している。一
般に燃料電池発電装置は負荷変動の少ない一定電力で用
いる方が良いと言われているので、一定の出力電力で運
用することが多い（Ｐreal＝Ｐint ）。従って、セルス
タックの劣化が進行してくると、セルスタックの出力電
力は一定だが、最大発電量が低下する。
【００４０】最大発電量の求め方を説明する。セルスタ
ックの出力を微小変化させることによって得られる出力
電圧、出力電流をＩ1 、Ｖ1 、Ｉ2 、Ｖ2 とする。この
時のＩ−Ｖ特性式を１次式に近似すると、以下に示され
る。
【００４１】Ｖ＝（Ｖ2 −Ｖ1 ）／（Ｉ2 −Ｉ1 ）×
（Ｉ−Ｉ1 ）＋Ｖ1 ここで、 −ｋ＝（Ｖ2 −Ｖ1 ）／（Ｉ2 −Ｉ1 ） Ｖｎ＝−（Ｖ2 −Ｖ1 ）／（Ｉ2 −Ｉ1 ）×Ｉ1 ＋Ｖ1 とおくと Ｉ−Ｖ特性式は Ｖ＝−ｋ×Ｉ＋Ｖn で、発電量Ｐは Ｐ＝（−ｋ×Ｉ＋Ｖn ）×Ｉ ＝−ｋ（Ｉ−（Ｖn ／２ｋ））2 ＋Ｖn 2 ／４ｋ となり、出力電流ＩがＶn ／２ｋの時に最大発電量を以
下のように推定できる。
【００４２】Ｐmax ＝Ｖn 2 ／４ｋ なお、最大出力電流値Ｉmax がＶn ／２ｋ以下の時は、
出力電流ＩがＩmax の時に最大発電量になるので、最大
発電量は以下のように求める Ｐmax ＝（−ｋ×Ｉmax ＋Ｖn ）×Ｉmax 従って、別に基準となる最大発電量を求めておき、この
基準発電量Ｐｒと、計測時の最大発電量Ｐmax を比較
し、計測時の最大発電量が基準の最大発電量以下になっ
た場合に劣化と判断する。
【００４３】第３実施形態例では、燃料電池発電装置の
出力の大きな変化を伴わずに、セルスタックの出力電圧
電流特性により劣化診断を行っているので、セルスタッ
クを有効に利用でき、負荷への影響をほとんど伴わずに
セルスタックの劣化状態を正確に把握することが可能に
なる。
【００４４】図６に本発明の第４の実施形態例を示す構
成図である。図中、図９と同一のものは同一符号で表
し、これらのものについてはその説明を省略する。図６
を用いて第４の実施形態例を説明する。第４の実施形態
例は、図９に示した従来例とは、基準電圧回路１２と、
基準電圧回路１２の出力と電圧検出回路１１の出力とを
比較して劣化信号１４を出力する比較回路１３が不要に
なった点、定期的に測定を実施するためのタイマー２７
と、電力変換装置１０の入力電流を変化させる入力電流
制御回路１５、セルスタック５に接続される電流検出回
路１６、セルスタック５のＩ−Ｖ特性の傾きｋと推定切
片ｙ、及び測定時の運転時間を記憶しておく記憶回路２
４、電圧検出回路１１と電流検出回路１６との出力から
Ｉ−Ｖ特性の傾きＫ及び推定切片ｙを算出する特性演算
回路２５、記憶回路２４の出力と特性演算回路２５の出
力とからＩ−Ｖ特性の傾きｋ及び推定切片ｙの変化と、
運転時間との関係からセルスタック５の残寿命を推定す
る残寿命推定回路２６を新たに設けた点が異なる。
【００４５】次に本実施形態例の作用について説明す
る。タイマー２７は定期的に入力電流制御回路１５に信
号を送る。入力電流制御回路１５は定期的に電力変換装
置１０の出力を変化させ、電力変換装置１０の入力電流
を変化させる。電圧検出回路１１は電力変換装置１０の
入力電流変化によるセルスタック５の出力電圧の変化を
検出し、電流検出回路１６は電力変換装置１０の入力電
流変化によるセルスタック５の出力電流を検出する。特
性演算回路２５は電圧検出回路１１の出力と電流検出回
路１６の出力とを入力し、セルスタック５のＩ−Ｖ特性
の傾きｋ及び推定切片ｙを求める。記憶回路２４は特性
演算回路２５の出力とタイマー２７の出力とを入力とし
て、Ｉ−Ｖ特性の傾きｋと推定切片ｙ及び運転時間を記
憶する。残寿命推定回路２６は、記憶回路２４に記憶さ
れた傾きｋと推定切片ｙ及び運転時間を入力し、傾きｋ
と推定切片ｙ及び運転時間との関係から所要の基準に到
るまでの時間を推定する。
【００４６】図７にこの説明を示す。図７はセルスタッ
クの出力電圧電流特性（Ｉ−Ｖ特性）を示している。セ
ルスタック５の出力電圧は、出力電流の増加に伴って減
少し、限界電流値以上は出力しない。セルスタック５の
劣化が進行すると、無負荷時の出力電圧が低下するとと
もに各電流値の出力電圧も低下し、その特性の傾きも変
化する。そこで、セルスタック５の出力電流を微小変化
させてＩ−Ｖ特性を推定する。例えば、出力電流の微小
変化による測定電流Ｉ1 ，Ｉ2 及び対応する出力電圧Ｖ
1 ，Ｖ2 を求めて、Ｉ−Ｖ特性を１次式と仮定すれば、
セルスタック５のＩ−Ｖ特性の傾きｋ、及び無負荷時の
出力電圧（＝推定切片）ｙ1 を求めることができる。次
に、測定を定期的に行い、初期のＩ−Ｖ特性の傾きｋ及
び推定切片ｙの変化を観測する。Ｉ−Ｖ特性の傾きｋ及
び推定切片ｙの変化ｋ1 ，ｋ2 及びｙ1 ，ｙ2 を図８
（ａ），（ｂ）に示す。なお、ｋ1 及びｋ2 は以下のよ
うに定義した。
【００４７】Ｋ＝（Ｖ2 −Ｖ1 ）／（Ｉ2 −Ｉ1 ） Ｉ−Ｖ特性の傾きｋ1 ，ｋ2 及び推定切片ｙ1 ，ｙ2 は
図８（ａ），（ｂ）に示すように、運転時間とともに変
化し所要の劣化基準に達すると劣化と判定する。この
時、Ｉ−Ｖ特性の傾きｋと推定切片ｙが所要の基準に達
するまでの運転時間を推定する。これにより、セルスタ
ック５の残寿命を推定する。
【００４８】すなわちこのように形成された燃料電池発
電装置は定期的にセルスタックのＩ−Ｖ特性を計測して
いる。Ｉ−Ｖ特性からセルスタック出力の傾き（ Ｖ／
Ｉ）及び傾きから推定される切片（＝推定切片）を求
める。セルスタックは運転時間の経過とともに、セルの
構成要素である空気極及び燃料極の触媒の劣化、空気極
触媒層の濡れの低下等によりＩ−Ｖ特性が変化し、セル
スタック出力のＩ−Ｖ特性の傾き及び推定切片が変化す
る。一方、記憶回路には、セルスタック出力のＩ−Ｖ特
性の傾き及び推定切片を記憶しておく。劣化演算回路
は、記憶回路から得られる現在までのＩ−Ｖ特性の傾き
の変化及び推定切片の変化と、タイマーから得られる運
転時間との関係から、所要のＩ−Ｖ特性の傾き及び推定
切片に達するまでの時間を推定する。
【００４９】本実施形態例では、セルスタックの出力電
圧電流特性の傾きと無負荷時の電圧により劣化診断を行
っているので、セルスタックの劣化状態を正確に把握す
るとともに、その変化傾向と運転時間との関係よりセル
スタックの残寿命を推定することが可能になる。
【００５０】
【発明の効果】本発明によれば、セルスタックの出力電
圧電流特性から得られるセルスタックの発電能力により
劣化診断を行っているので、セルスタックを有効に利用
でき、セルスタックの劣化状態を正確に把握することが
可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る燃料電池発電装
置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態例の効果を説明するため
の図である。
【図３】本発明の第２実施形態例及び第３実施形態例に
係る燃料電池発電装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態例の効果を説明するため
の図である。
【図５】本発明の第３実施形態例の効果を説明するため
の図である。
【図６】本発明の第４実施形態例に係る燃料電池発電装
置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態例の効果を説明するため
の図である。
【図８】本発明の第４実施形態例の効果を説明するため
の図である。
【図９】従来の燃料電池発電装置の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
１…燃料 ２…改質装置 ３…水素 ４…酸素 ５…セルスタック ６…燃料極 ７…電解質 ８…酸素極 ９…電気エネルギー １０…電力変換装置 １１…電圧検出回路 １２…基準電圧回路 １３…比較回路 １４…劣化信号 １５…入力電流制御回路 １６…電流検出回路 １７…基準特性回路 １８…傾き算出回路 １９…傾き比較回路 ２０…燃料電池発電装置 ２１…電流値記憶回路 ２２…電流値比較回路 ２３…電力演算回路 ２４…記憶回路 ２５…特性演算回路 ２６…残寿命推定回路 ２７…タイマー

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料から水素をつくるための改質装置
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なり、酸素と、前記改質装置からの水素が供給されたと
    きに化学反応により電気エネルギーを出力するセルスタ
    ックと、 このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
    変換する電力変換装置と、 この電力変換装置の入力電流を変化させる入力電流制御
    回路と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出回路と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出回路と、 前記電圧検出回路の出力と前記電流検出回路の出力を入
    力とし、前記セルスタック出力の出力電圧／出力電流比
    を求め、この出力電圧／出力電流比からセルスタックの
    劣化を判断する劣化診断回路とを具備することを特徴と
    する燃料電池発電装置。
  2. 【請求項２】 燃料から水素をつくるための改質工程
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なるセルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた
    水素とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、 この電気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工
    程と、 この電力変換工程における入力電流を変化させる入力電
    流制御工程と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出工程と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出工程と、 前記電圧検出工程で得られた出力と前記電流検出工程で
    得られた出力を入力とし、前記セルスタック出力の出力
    電圧／出力電流比を求め、この出力電圧／出力電流比か
    ら前記セルスタックの劣化を判断する劣化診断工程とを
    具備することを特徴とする燃料電池劣化診断方法。
  3. 【請求項３】 燃料から水素をつくるための改質装置
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なり、酸素と、前記改質装置からの水素が供給されたと
    きに化学反応により電気エネルギーを出力するセルスタ
    ックと、 このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
    変換する電力変換装置と、 この電力変換装置の入力電流を変化させる入力電流制御
    回路と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出回路と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出回路と、 前記セルスタックの基準の出力電圧電流特性の傾きを記
    憶しておく基準特性回路と、 前記電圧検出回路と電流検出回路の出力から前記セルス
    タックの出力電圧電流特性の傾きを算出する傾き算出回
    路と、 この傾き算出回路の出力と前記基準特性回路の出力とを
    比較する傾き比較回路と、 前記入力電流制御回路に接続され、測定前の定格電流値
    を記憶する電流値記憶回路と、 この電流値記憶回路の出力と前記傾き比較回路の出力と
    を比較する電流値比較回路とを具備することを特徴とす
    る燃料電池発電装置。
  4. 【請求項４】 燃料から水素をつくるための改質工程
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なるセルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた
    水素とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、 この電気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工
    程と、 この電力変換工程における入力電流を変化させる入力電
    流制御工程と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出工程と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出工程と、 前記セルスタックの基準の出力電圧電流特性の傾きを記
    憶しておく基準特性記憶工程と、 前記電圧検出工程と電流検出工程で得られた出力から前
    記セルスタックの出力電圧電流特性の傾きを算出する傾
    き算出工程と、 この傾き算出工程で得られた出力と前記基準特性記憶工
    程で得られた出力とを比較する傾き比較工程と、 前記入力電流制御工程を制御し、測定前の定格電流値を
    記憶する電流値記憶工程と、 この電流値記憶工程で得られた出力と前記傾き比較工程
    で得られた出力とを比較する電流値比較工程とを具備す
    ることを特徴とする燃料電池劣化診断方法。
  5. 【請求項５】 燃料から水素をつくるための改質装置
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なり、酸素と、前記改質装置からの水素が供給されたと
    きに化学反応により電気エネルギーを出力するセルスタ
    ックと、 このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
    変換する電力変換装置と、 この電力変換装置の入力電流を変化させる入力電流制御
    回路と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出回路と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出回路と、 前記電圧検出回路の出力と前記電流検出回路の出力を入
    力とし、前記セルスタックの最大発電量を求める電力演
    算回路と、 劣化の基準となる最大発電量を出力する基準特性回路
    と、 この基準特性回路の出力と前記電力演算回路の出力とを
    比較して前記セルスタックの劣化を判断する比較回路と
    を具備することを特徴とする燃料電池発電装置。
  6. 【請求項６】 燃料から水素をつくるための改質工程
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なるセルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた
    水素とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、 この電気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工
    程と、 この電力変換工程における入力電流を変化させる入力電
    流制御工程と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出工程と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出工程と、 前記電圧検出工程で得られた出力と前記電流検出工程で
    得られた出力を入力とし、前記セルスタックの最大発電
    量を求める電力演算工程と、 劣化の基準となる最大発電量を出力する基準特性出力工
    程と、 この基準特性出力工程における出力と前記電力演算工程
    における出力とを比較して前記セルスタックの劣化を判
    断する比較工程とを具備することを特徴とする燃料電池
    劣化診断方法。
  7. 【請求項７】 燃料から水素をつくるための改質装置
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なり、酸素と、前記改質装置からの水素が供給されたと
    きに化学反応により電気エネルギーを出力するセルスタ
    ックと、 このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
    変換する電力変換装置と、 この電力変換装置を制御して前記セルスタックの出力を
    微小変化させる入力電流制御回路と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出回路と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出回路と、 前記電圧検出回路の出力と前記電流検出回路の出力を入
    力とし、前記セルスタックの出力電圧電流特性を求め
    て、最大発電量を推定し、最大発電量を出力する電力演
    算回路と、 劣化の基準となる最大発電量を出力する基準特性回路
    と、 この基準特性回路の出力と前記電力演算回路の出力とを
    比較して前記セルスタックの劣化を判断する比較回路と
    を具備することを特徴とする燃料電池発電装置。
  8. 【請求項８】 燃料から水素をつくるための改質工程
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なるセルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた
    水素とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、 この電気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工
    程と、 この電力変換工程を制御して前記セルスタックの出力を
    微小変化させる入力電流制御工程と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出工程と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出工程と、 前記電圧検出工程で得られた出力と前記電流検出工程で
    得られた出力を入力とし、前記セルスタックの出力電圧
    電流特性を求めて、最大発電量を推定し、最大発電量を
    出力する電力演算工程と、 劣化の基準となる最大発電量を出力する基準特性出力工
    程と、 この基準特性出力工程における出力と前記電力演算工程
    における出力とを比較して前記セルスタックの劣化を判
    断する比較工程とを具備することを特徴とする燃料電池
    劣化診断方法。
  9. 【請求項９】 燃料から水素をつくるための改質装置
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なり、酸素と、前記改質装置からの水素が供給されたと
    きに化学反応により電気エネルギーを出力するセルスタ
    ックと、 このセルスタックからの電気エネルギーを適度な電圧に
    変換する電力変換装置と、 この電力変換装置の入力電流を変化させる入力電流制御
    回路と、 この入力電流制御回路に定期的に信号を送り、定期的に
    測定を行うためのタイマーと、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出回路と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出回路と、 前記セルスタックの出力電圧電流特性から出力電圧電流
    特性の傾きと無負荷時の電圧を推定する特性演算回路
    と、 この特性演算回路の出力と前記タイマーの出力とから推
    定される前記セルスタックの出力電圧電流特性の傾き及
    び無負荷時の電圧を運転時間とともに記憶する記憶回路
    と、 この記憶回路に記憶されたセルスタックの出力電圧電流
    特性の傾き及び無負荷時の電圧と運転時間を入力とし、
    当該セルスタックの出力電圧電流特性の傾き及び無負荷
    時の電圧が基準の出力電圧電流特性の傾き及び無負荷時
    の電圧に到るまでの時間を推定する残寿命推定回路とを
    具備することを特徴とする燃料電池発電装置。
  10. 【請求項１０】 燃料から水素をつくるための改質工程
    と、 電解質をサンドイッチした燃料極と酸素極の積層体から
    なるセルスタックに、酸素と、前記改質工程で得られた
    水素とを供給して電気エネルギーを出力する工程と、 この電気エネルギーを適度な電圧に変換する電力変換工
    程と、 この電力変換工程における入力電流を変化させる入力電
    流制御工程と、 この入力電流制御工程にタイマーから定期的に信号を送
    り、定期的に測定を行う工程と、 前記セルスタックから出力される出力電圧を検出する電
    圧検出工程と、 前記セルスタックから出力される出力電流を検出する電
    流検出工程と、 前記セルスタックの出力電圧電流特性から出力電圧電流
    特性の傾きと無負荷時の電圧を推定する特性演算工程
    と、 この特性演算工程で得られた出力と前記タイマーの出力
    とから推定される前記出力電圧電流特性の傾き及び無負
    荷時の電圧を運転時間とともに記憶する記憶工程と、 前記記憶工程で記憶されたセルスタックの出力電圧電流
    特性の傾き及び無負荷時の電圧と運転時間を入力とし、
    当該セルスタックの出力電圧電流特性の傾き及び無負荷
    時の電圧が基準の出力電圧電流特性の傾き及び無負荷時
    の電圧に到るまでの時間を推定する残寿命推定工程とを
    具備することを特徴とする燃料電池劣化診断方法。
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