JPWO2005088753A1 - 燃料電池システムの故障診断方法とこれを用いた故障診断装置、および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

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燃料電池の発電異常の原因となる部分を特定することが、困難であった。 ある運転条件下で燃料電池システムから発生する直流電流に交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分のインピーダンスを演算する工程を備え、前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したときのインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する、燃料電池システムの故障診断方法。

Description

本発明は、たとえば高分子電解質型の燃料電池の発電異常や発電電圧低下の発生時などに故障箇所を特定するための燃料電池システムの診断方法とこれを用いた故障診断装置等に関する。

燃料電池は、酸素を含む酸化剤ガス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ものであり、一対のカソードとアノードとからなる燃料電池セル、または燃料電池セルが複数個直列に接続された燃料電池スタックで構成される。

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。

以上のように燃料電池を作動させるための周辺機器は多数の部材から構成されており、複雑に連動している。

周辺機器の一部が故障した場合、結果として燃料電池の発電異常が現れる。故障箇所を修理するためには、故障箇所の特定が不可欠である。さらには、故障修理のために燃料電池システム全体を移動させることは非経済的であるため、故障箇所の特定は、その燃料電池システムが設置されているその場で行えることが望ましい。

一般的には燃料電池セルの電圧をモニターすることで燃料電池の発電異常を検知しているが、この方法によって発電異常の原因まで判定することは困難である。

より具体的に述べると、燃料電池セルの電圧低下の原因が、ガス拡散が阻害されて拡散抵抗が増大したことにあるのか、電極の反応性が低下して反応抵抗が増大したことにあるのかが判定できない。

このような発電異常の原因を判定するための技術として、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がある（たとえば、特開２００２−３６７６５０号公報参照）。

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。

しかしながら、上述した従来の判定技術では、燃料電池の異常の有無は検知できるが、その異常の原因となる故障箇所が、燃料電池システム全体のどこであるか特定することは困難である。

すなわち、電圧の低下がガス拡散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、さらに、ガス拡散を阻害する要因や電極の反応性を低下させる原因となる、故障箇所を特定することまではできない。

本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、燃料電池システムのメンテナンスにおいて、燃料電池の発電異常または発電電圧の低下が生じた場合、システム内の故障箇所を特定して、スムーズな修理ができる燃料電池システムの故障診断方法、故障診断装置等を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１の本発明は、ある運転条件下で燃料電池システムから発生する直流電流に、交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分のインピーダンスを演算する工程を備え、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したときのインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する、燃料電池システムの故障診断方法である。

このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所のいずれかにあることを判断することができ、燃料電池システムに異常が生じた場合、その異常の原因を迅速に特定できる。

また、第２の本発明は、前記決定は、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムの有する燃料電池そのものにあるか、前記燃料電池以外の前記所定箇所にあるかを切り分けるものである、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。

また、第３の本発明は、前記決定は、
前記基準運転条件下における、前記燃料電池システムの各所定箇所の運転条件と前記燃料電池の各所定部分のインピーダンスとの対応関係を特性プロフィールとして用い、
前記ある運転条件として、前記所定箇所の運転条件を前記基準運転条件下におけるものより大きく変化させ、その変化に応じて測定した診断インピーダンスを、前記特性プロフィールのインピーダンスと比較し、
前記診断インピーダンスの、前記特性プロフィールのインピーダンスからの変化が、前記特性プロフィールに基づき判断できる場合は、その原因がその所定箇所にあるものと判断し、判断できない場合は、その所定箇所にないと判断する
ことにより行う、第１または第２の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。

これらの本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所を個別に特定する際に、複数の原因を切り分けて、迅速に特定できる。

また、第４の本発明は、前記燃料電池システムは、
前記燃料電池を有する発電部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備え、
前記所定箇所は、
前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを含むものであり、
これら特定箇所の運転条件を変化させることにより、前記決定を行う、第３の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。

また、第５の本発明は、前記水素ガス供給部の前記特定箇所は、
前記改質器に改質用の水を供給するための第１のポンプ、前記改質器に原料を供給するためのブースター、および前記改質器を加熱するためのバーナーであり、
前記所定箇所として、前記改質器を含んでいる、第４の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。

また、第６の本発明は、前記酸化剤ガス供給部の前記特定箇所は、
外気を取り入れて前記燃料電池側へ導くためのブロア、前記ブロアが取り入れた前記外気を加湿する加湿器、および前記加湿器に水を供給するための第２のポンプであり、
前記所定箇所として、前記ブロアの前段に設けられたフィルタを含んでいる、第４の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。

また、第７の本発明は、前記発電部の前記特定箇所は、
前記燃料電池および前記燃料電池へ冷却水を供給するための第３のポンプであり、
前記所定箇所として、前記燃料電池を含んでいる、第４の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。

また、第８の本発明は、前記燃料電池の前記所定部分は、
前記燃料電池を、前記所定部分を抵抗として有する等価回路と見なし、周波数の異なる前記交流電流毎に前記インピーダンスを演算することにより決定する、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。

また、第９の本発明は、前記交流電流の振幅は、前記直流電流値の実質上５％〜１０％の大きさである、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。

また、第１０の本発明は、燃料電池システムの燃料電池から発生する直流電流に重畳する、周波数可変の交流電流を供給する交流電流源と、
前記直流電流に前記交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分に対応するインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する診断手段とを備えた、燃料電池システムの故障診断装置である。

このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所のいずれかにあることを判断することができ、燃料電池システムに異常が生じた場合、その異常の原因を迅速に特定できる。

また、第１１の本発明は、前記診断手段は、
前記基準運転条件下における、前記燃料電池システムの各所定箇所の運転条件と前記燃料電池の各所定部分のインピーダンスとの対応関係を特性プロフィールとして用い、
前記ある運転条件として、前記所定箇所の運転条件を前記基準運転条件下におけるものより大きく変化させ、その変化に応じて測定した診断インピーダンスを、前記特性プロフィールのインピーダンスと比較し、
前記診断インピーダンスの、前記特性プロフィールのインピーダンスからの変化が、前記特性プロフィールに基づき判断できる場合は、その原因がその所定箇所にあるものと判断し、判断できない場合は、その所定箇所にないと判断する
ことにより行う、第１０の本発明の燃料電池システムの故障診断装置である。

このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所を個別に特定する際に、複数の原因を切り分けて、迅速に特定できる。

また、第１２の本発明は、第１０または第１１の本発明の燃料電池システムの故障診断装置を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池を有する発電部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備え、
前記所定箇所は、
前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを含むものであり、
これら特定箇所の運転条件を変化させることにより、前記診断手段は前記決定を行う、燃料電池システムである。

また、第１３の本発明は、前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の運転条件を変化させる制御手段をさらに備え、
前記診断手段は、前記制御手段から前記運転条件の変化のパラメータを取得して、前記決定を行う、第１２の本発明の燃料電池システムである。

また、第１４の本発明は、前記水素ガス供給部の前記特定箇所は、
前記改質器に改質用の水を供給するための第１のポンプ、前記改質器に原料を供給するためのブースター、および前記改質器を加熱するためのバーナーであり、
前記所定箇所として、前記改質器を含んでいる、第１２の本発明の燃料電池システムである。

また、第１５の本発明は、前記酸化剤ガス供給部の前記特定箇所は、
外気を取り入れて前記燃料電池側へ導くためのブロア、前記ブロアが取り入れた前記外気を加湿する加湿器、および前記加湿器に水を供給するための第２のポンプであり、
前記所定箇所として、前記ブロアの前段に設けられたフィルタを含んでいる、第１２の本発明の燃料電池システムである。

また、第１６の本発明は、前記発電部の前記特定箇所は、
前記燃料電池および前記燃料電池へ冷却水を供給するための第３のポンプであり、
前記所定箇所として、前記燃料電池を含んでいる、第１２の本発明の燃料電池システムである。

また、第１７の本発明は、第１０または１１の本発明の前記直流電流に前記交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分に対応するインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する診断手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

また、第１８の本発明は、第１７の本発明のプログラムを記録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。

また、第１９の本発明は、燃料電池を有する発電部と、前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備えた燃料電池システムに対し、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法に用いる前記所定箇所を特定する燃料電池システムの診断箇所特定方法であって、
燃料電池システムから発生する直流電流に、交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の複数の所定部分のインピーダンスを演算する工程と、
前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを運転箇所として特定する工程と、
前記運転箇所を、その運転条件を変化させて前記燃料電池システムを動作させ、そのときに、前記燃料電池の複数の所定部分のいずれの前記インピーダンスが変化するかを観測することにより、前記運転箇所を、前記所定箇所として特定する、燃料電池システムの診断箇所特定方法である。

このような本発明によれば、上記燃料電池システムの故障診断方法において、診断に必要な対象となる燃料電池システムのどの部分を用いればよいかを、特定することが可能となる。

本発明は、燃料電池システムの運転に際して、発電異常の原因となる故障箇所を迅速に特定できるという長所を有する。

本発明の実施の形態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説明図 本発明の実施の形態のセルのインピーダンスを表す等価回路の説明図 本発明の実施の形態における交流電流の振幅に対するＳ／Ｎ比を示した図 本発明の実施の形態のインピーダンスと周波数との関係を表す説明図 本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図 本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図 本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図 本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図 本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図 本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図 本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図 本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図 本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図 本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図 本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図 本発明の実施の形態の診断箇所を説明するためのチャートを示す図 本発明の実施例１および比較例におけるセル電圧の経時変化を示した図 本発明の実施例１における５０００時間後の診断結果を示すチャートを示す図 本発明の実施例１における１００００時間後の診断結果を示すチャートを示す図 本発明の実施の形態の水素生成装置の断面を示す構成図

符号の説明

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
７１ 実施例１のセル電圧
７２ 比較例のセル電圧

はじめに、本実施の形態の燃料電池システムの故障診断方法等について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。

燃料電池を構成する燃料電池セルは、水素イオン伝導性電解質膜とその両側に配置された電極で構成されており、いわゆる高分子電解質型である。

この電極の一方に燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素含有ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータ板を具備することで、燃料電池セルが構成される。なお、燃料ガスが供給される電極がアノードであり、酸素含有ガスが供給される電極がカソードである。

この燃料電池セルを数十から数百個積層して、一つの燃料電池スタックを構成する。

燃料電池セルのインピーダンスは、アノードのインピーダンス、カソードのインピーダンス、電解質膜のインピーダンス、および各構成要素の接触抵抗からなる。

本発明の実施の形態における、後述する重畳用の交流電流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説明図である図１には、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が示されている。

なお、本発明者は、このインピーダンスの挙動を表す等価回路として、図２に示す、本発明の実施の形態の燃料電池セルのインピーダンスを表す等価回路が最も高い精度を有することを見出した。

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の１０％程度以下の微小振幅を有し、周波数ｆの交流電流を、燃料電池の直流電流に重畳して、後に取出す。

そして、その時に測定されるセル電圧の交流成分およびセル電流の交流成分の振幅および位相からインピーダンスを演算する。重畳する交流電流の振幅が大きいなど、ノイズに対するシグナルの比（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、セル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５％〜１０％程度が望ましい。

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、

と記述される（ただし虚数単位をｊとした、以下同様）。

また、測定時の燃料電池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、燃料電池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、

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、Ｒａ、Ｒｃ、コンデンサ（容量値）Ｃａ、Ｃｃ、およびワールブルグインピーダンスＷｃ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、本発明の所定部分の特性としての等価回路のコンポーネント（Ｒｍ、Ｒａ、Ｒｃ、Ｃａ、Ｃｃ、Ｗｃ）の値を算出する。

等価回路のコンポーネントのそれぞれの物理的な意味は、Ｒｍは電解質膜の抵抗値、Ｒａはアノード反応抵抗、Ｒｃはカソード反応抵抗、Ｃａはアノード二重層容量、Ｃｃはカソード二重層容量、Ｗｃはカソード拡散インピーダンスをそれぞれ表す。

ここでＷｃは、（数３）で記述される有限長ワールブルインピーダンスである。

（数３）において、Ｌは有効拡散厚、Ｄは拡散係数、ωは交流信号の角速度である。またＲｗはカソード拡散抵抗を示し、ω→０の時のＷｃに等しい。以降、拡散インピーダンスを示すコンポーネントとしてカソード拡散抵抗Ｒｗを用いる。

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、Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ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４（ａ）〜（ｄ）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がＲｍとほぼ等しく、２００Ｈｚの実数成分はＲｍ＋Ｒａ、１０Ｈｚの実数成分はＲｍ＋Ｒａ＋Ｒｃ、０．１Ｈｚの実数成分はＲｍ＋Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｗである。

次に、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ると、以下のような結果が得られた。

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、Ｒｗが主に変化した。

燃料ガス中の水素の濃度を変化させた場合には、Ｒａが主に変化した。

また、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。

つまり、燃料電池を動作させるための各条件の変化は、燃料電池を等価回路に見立てたときの各コンポーネントの変化は関連しており、特定の条件が特定のコンポーネントに対応していることがわかる。

これから、以下のようなことが見いだされる。すなわち、燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気の利用率を変化させるのに必要な構成要素、燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の濃度を変化させるのに必要な構成要素、および燃料電池の温度分布を変化させるのに必要な構成要素を所定箇所としてそれぞれ特定すれば、等価回路中の各コンポーネントの抵抗値の変化は、これら所定箇所の運転状態を反映するものとみることができる。

したがって、上記所定箇所の運転条件を変化させたときに、等価回路の各コンポーネントの抵抗値がどのように変化するかを観測することによって、燃料電池システムに対して設定した運転条件と実際の運転状態との偏差、すなわち異常が生じた場合、その異常がどこに生じたかを、上記所定箇所レベルで同定することが可能となる。

具体的には、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っておき、等価回路のコンポーネントの定格値を記憶しておく。

そして、運転条件を変化させた時のインピーダンスを測って求めた等価回路のコンポーネントの値を記憶しておいた定格時の値と比較することで、等価回路のコンポーネントの値の変化を判断する。異常な変化を示すコンポーネントがあった場合、そのコンポーネントの変化はどの所定箇所の運転条件の変化に対応しているかを得られていることから、燃料電池システムの故障箇所は、異常の発見と同時に、特定できることになる。

以下、本発明の実施の形態について、さらに詳細に説明する。

（実施の形態）
はじめに、本発明の実施の形態の燃料電池発電システムおよび燃料電池発電システムの故障診断装置の構成図である図５（ａ）を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムおよび故障診断装置の構成について説明を行う。

本実施の形態の燃料電池発電システムは、都市ガスに水を添加して水素生成装置５０１で改質して水素を含むガスを作り、それを燃料ガスとして燃料電池５０２のアノード（図示せず）に供給し、空気を加湿してカソード（図示せず）に供給して発電する燃料電池発電システムであって、他に水素生成装置５０１に水を供給するためのポンプ５０２ａ、都市ガスを加圧するブースター５０２ｃ、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池５０１へ導入するためのブロア５０３，燃料電池５０２に冷却水を供給する冷却水ポンプ５０２ｄ、ブロア５０３により導入される空気から塵やその他の不純物を除去するためのフィルター５０４，フィルター５０４を通過した空気を加湿する加湿器５０５，加湿器５０５に水を供給するためのポンプ５０２ｂ、燃料電池からの直流電流（ＤＣ）を交流電力に変換するインバータ５０６と、これら各部の動作を制御する制御手段５１０とを備えている。

また、燃料電池システムの故障診断装置は、インバータ５０６と選択的に燃料電池からの直流電流を受け、これに上述した交流電流を重畳する交流電流源５０７と、交流電流と直流電流とが重畳された信号からインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段５０８と、制御手段５１０からの情報と、インピーダンス演算手段５０８の演算したインピーダンスとを用いて、燃料電池システムの燃料電池の異常を判断し、その異常が燃料電池システムのどの構成部分に起因しているかを決定する診断手段５０９とを備える。

なお、上記の構成において、改質器、改質器を加熱するためのバーナー、ポンプ５０２ａおよびブースター５０２ｃは、本発明の水素ガス供給部を構成する。また、ブロア５０３，ポンプ５０２ｂ、フィルター５０４および加湿器５０５は本発明の酸化剤ガス供給部を構成する。また、ポンプ５０２ｄおよび燃料電池５０１は、本発明の発電部を構成する。

次に、図５（ｂ）に診断手段５０９の構成を示す。診断手段５０９はインピーダンス演算結果および制御手段５１０から入力される燃料電池システムの各部の動作条件のパラメータの入力を受け、これらから各部の特性プロフィールを作成する特性プロフィール作成手段５０９ａ、作成された特性プロフィールを記憶するメモリ５０９ｂ、特性プロフィールとインピーダンス演算結果とを比較することにより、異常の有無および故障個所を特定する診断本体部５０９ｃ、および診断結果等を表示する表示部５０９ｄを有する。なお、メモリ５０９は診断本体部５０９からのデータ、制御手段５１０からのデータおよびインピーダンス演算結果をそれぞれ記憶することもできる。また、表示部５０９ｄは、音声、映像等により診断結果等を表示できる手段であれば、スピーカ、ディスプレイ等の従来公知の手段により実現してよい。

水素生成装置５０１は、改質器、改質器を加熱するバーナー、改質器から出力された改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器などから構成されるものであり、改質器内にて都市ガス中のメタンと水を改質反応させて、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。なお、水素生成装置５０１の構成の一例の詳細は各実施例にて説明するが、水素生成装置の構成は従来公知のものであってもよい。要するに本発明は水素生成装置の具体的な構成によって限定されるものではない。

通常発電時には燃料電池５０２の負荷電流をインバーター５０６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。

故障診断時には、燃料電池の負荷電流をインバーター５０６に流す代わりに交流電流源５０７に流し、直流の負荷電流に交流信号を重畳させ、インピーダンス演算手段５０８が、燃料電池５０２のセルに接続した電圧測定端子から検出される電圧と、セルに流れる電流から複素インピーダンスを測定し、その測定結果を、診断手段５０９に入力する。このとき、故障診断時に動作させた特定部分の運転条件のパラメータは、制御手段１０から診断手段５０１に入力される。診断手段５０９においては、特性プロフィール作成手段５０９ａが、上記２つの入力から、運転条件のパラメータ変化に対応したインピーダンスの変化を特性プロフィールとして生成し、メモリ５０９ａへ記憶させている。

次に、本実施の形態の燃料電池発電システムの故障診断方法について説明を行うとともに、これにより、本発明の燃料電池発電システムの故障診断装置、および燃料電池発電システムの一実施の形態について、図６（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示すフローチャートを参照して、説明を行う。

まず始めに、本発明の予め定めた基準運転条件としての定格運転条件で燃料電池システムの発電を行い、その時のインピーダンスを測定して等価回路の各コンポーネントの値を求める。図６（ａ）に示すように、具体的には、燃料電池発電システムを定格運転して（Ｓ１０）、その際の燃料電池５０２のインピーダンスをインピーダンス演算手段５０８が計測し（Ｓ１１）、これに基づき図２の等価回路を算出し（Ｓ１２）、この等価回路のコンポーネントである定格時回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を診断手段５０９のメモリ５０９ｂに記憶する（Ｓ１３）。なお、定格時回路係数は、本願発明の特性プロフィールのインピーダンスに相当する。

次に、燃料電池発電システムの水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、および発電部をそれぞれ構成する各部の運転条件を変化させる。これら各部の運転条件を変化させることは、燃料電池５０１への酸化剤ガスとしての空気、燃料ガスとしての水素ガス、および燃料電池５０１の温度分布を変化させることになり、これらの変化は、等価回路の各回路定数Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍの変化として現れる。なお、運転条件を変化させる各部は、本発明の特定箇所に相当する。

したがって、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、および発電部をそれぞれ構成する各部の運転条件を変化させ、これらの変化に等価回路中の抵抗値がどのように変化するかを観測することにより、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、および発電部の異常の有無を診断、決定できることになる。

（水素ガス供給部に基づく診断）
第１に、水素ガス供給部の運転条件を変化させることは燃料ガス中の水素の濃度の変化を与えるので、回路定数としてＲａの変化に着目することで水素ガス供給部の異常の有無を判定できる。以下、説明を行う。

制御手段５１０は、改質器への燃料供給量、すなわち都市ガスの供給量を増やすようにブースター５０２ｃの制御を行い（Ｓ２０）、燃料供給量が増加した後の燃料電池５０２のインピーダンスをインピーダンス演算手段５０８が計測し（Ｓ２１）、これに基づき新たに図２の等価回路を算出し（Ｓ２２）、この等価回路のコンポーネントである、本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し（Ｓ２２）、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ２３）。

改質器への燃料供給量を定格時から増やすと、通常はＲａがやや小さくなる。これに対し、異常がある場合は、Ｒａはこれとは異なる変化をとる。この異なる変化が、経験的に得られた水素ガス供給部の所定箇所の異常と関連したものかどうかを判定する。このようなＲａの定格からの変化と（改質部やブースター５０２のような）水素ガス供給部の所定箇所の異常との関係は経験的に得られるものであり、あらかじめ診断手段５０９のメモリ５０９ｂに記憶されている。これを用いて、診断本体部５０９ｃは、Ｒａの変化が、所定箇所の異常と関連しているかどうかを判断する。

まず、Ｒａが大幅に小さくなった場合には、定格時に燃料利用率Ｕｆが異常に大きくなっていることが考えられるため、まずＲａが大幅に小さくなったかどうかを判断する（Ｓ２４）。Ｒａが大幅に小さくなる原因として、都市ガスを加圧するブースター５０２ｃの能力が低下し本来の能力を出しておらず、燃料不足が起こっていることが想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ２５）。診断結果に基づき、ブースター５０２ｃの調整または交換を行うと、修理が完了することになる。

一方、Ｒａが大幅に小さくならないと判定された場合は、さらに増大しているかどうかを判定する（Ｓ２６）。Ｒａが増大する原因として、定格時に水素生成装置５０１の中の改質器においてメタンの水素への転嫁率が低下していることが考えられるからである。転嫁率の低下は触媒劣化に起因するものであるから、これに基づき診断手段５０９は触媒劣化の判断を下す（Ｓ２７）。診断結果に基づき、改質器を交換する等の対応を行うことができる。

Ｒａが増大もしていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としての改質器、ブースター５０２ｃに起因する異常はないと考えられるので、燃料供給量を元に戻し（Ｓ２８）、次の特定箇所の動作条件を変化させて、診断を続ける。

制御手段５１０は、改質器への添加水量、すなわち燃料である都市ガスに添加する水の供給量を増やすようにポンプ５０２ａの制御を行い（Ｓ３０）、添加水量が増加した後の燃料電池５０２のインピーダンスをインピーダンス演算手段５０８が計測し（Ｓ３１）、これに基づき新たに図２の等価回路およびそのコンポーネントである定格時回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し（Ｓ３２）、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ３３）。

改質器への添加水量を定格時から増やすと、通常はＲａがやや大きくなる。これに対し、異常がある場合は、Ｒａはこれとは異なる変化をとる。この異なる変化が、経験的に得られた水素ガス供給部の所定箇所の異常と関連したものかどうかを判定する。

まず、Ｒａが小さくなった場合には、定格時に燃料中の水蒸気／炭素比（Ｓ／Ｃ）が適正でないことが考えられるため、Ｒａが小さくなったかどうかを判断する（Ｓ３４）。Ｒａが小さくなった場合は、Ｓ／Ｃが適正でないということになるが、この原因は水を供給するポンプ５０２ａの故障が想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ２５）。診断結果に基づき、ポンプ５０２ｃの調整または交換を行うと、修理が完了することになる。

−方、Ｒａが小さくならないと判定された場合は、さらに大幅に増大していないかどうかを判定する（Ｓ３６）。Ｒａが大幅に増大する原因として、定格時に水素生成装置５０１の中の改質器においてメタンの水素への転嫁率が低下していることが考えられるからである。転嫁率の低下は触媒劣化に起因するものであるから、これに基づき診断手段５０９は触媒劣化の判断を下す（Ｓ３７）。診断結果に基づき、改質器を交換する等の対応を行うことができる。

Ｒａが大幅に増大もしていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としての改質器、ポンプ５０２ａに起因する異常はないと考えられるので、添加水量を元に戻し（Ｓ３８）、次の特定箇所の動作条件を変化させて、診断を続ける。

次に、図６（ｂ）に示すように、Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、バーナーを制御して改質器の温度を上昇する制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ４０〜Ｓ４２）。

改質器の温度を定格時から上げると、通常はＲａがやや大きくなる。これに対しＲａが小さくなった場合には、定格時に改質器の温度低下によって転嫁率が低下していることが考えられるため、Ｒａが小さくなったかどうかを判断する（Ｓ４４）。Ｒａが小さくなった場合は、改質器においてメタンの水素への転嫁率が低下していることが考えられるが、これは改質器を加温するバーナーの不良に起因するものであるから、これに基づき診断手段５０９はバーナー不良の判断を下す（Ｓ４５）。診断結果に基づき、バーナーのクリーニング、交換等の対応を行うことができる。

一方、Ｒａが小さくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としてのバーナーに起因する異常はないと考えられるので、改質器温度を元に戻す（Ｓ４６）。

以上のように、Ｒａの変化に着目して、水素ガス供給部の異常の有無を判定した。

（酸化剤ガス供給部に基づく診断）
第２に、酸化剤ガス供給部の運転条件を変化させることは、燃料電池５０２へ供給される燃料ガス中の空気の利用率、湿度等の変化を与えるので、回路定数としてＲｗ、Ｒｃ、Ｒｍの変化に着目することにより酸化剤ガス供給部の異常の有無を判定する。以下、説明を行う。

Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、ブロア５０３を制御して燃料電池５０２への空気供給量を増加する（例えばブロア５０３の出力、回転数を上昇させる）制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ５０〜Ｓ５３）。

燃料電池５０２への空気供給量を定格時から増やすと、通常はＲｗがやや小さくなる。これに対し、異常がある場合は、Ｒｗはこれとは異なる変化をとる。この異なる変化が、メモリ５０９ｂに記憶された、経験的に得られた酸化剤ガス供給部の所定箇所の異常と関連したものかどうかを判定する。

まず、Ｒｗが大幅に小さくなった場合には、定格時に燃料電池５０１を構成するセルのフラッディングが起こっていることが考えられるため、まずＲｗが大幅に小さくなったかどうかを判断する（Ｓ５４）。Ｒｗが大幅に小さくなったと判断された場合は、制御手段５１０は、診断手段５０９からこの結果を受けて、燃料電池５０２への空気供給量を元に戻す制御を行う（Ｓ５４ａ）。ここで再びＳ５０〜Ｓ５３の動作を繰り返して、Ｒｗを取得し、その値がＳ１３にて得られたレベルに達しているかどうかを判定する（Ｓ５４ｂ）。達している場合は、フラッディングの原因が、実際に燃料電池５０２へ供給されている空気供給量が、制御にて設定した値より低くなっているためであって、ブロア５０３の能力低下またはフィルター５０４のフィルター詰まりにあると想定され、これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ５４ｃ）。診断結果に基づき、ブロア５０３ｃの調整または交換、またはフィルター５０４の掃除または交換を行うと、対応が可能となる。

一方、ＲｗがＳ１３にて得られたレベルまで達しなかった場合は、燃料電池５０２の燃料電池セルの濡れ性増大が想定され、これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ５４ｄ）。診断結果に基づき、燃料電池５０２のスタック交換を行うと、対応が可能となる。

また、Ｓ５４にてＲｗが大幅に小さくなっていないと判断された場合は、次にＲｗが空気供給量を増加させる制御の前後で変わったかどうかを判定する（Ｓ５５）。変わっていないと判定された場合、定格時に燃料電池５０２の燃料電池セルが乾いてドライアップの状態にあると考えられ、その原因は、加湿器５０５の加湿能力低下が想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ５６）。診断結果に基づき、加湿器５０５またはポンプ５０２ｂの調整または交換により、対応が可能となる。

さらにＳ５５にてＲｗが空気供給量を増加させる制御の前後で変わったと判定された場合は、次にＲｃが増大したかどうかが判定される（Ｓ５７）。Ｒｃが増大した場合、それは空気中のＮＯｘなどの不純物がセルに混入していることが考えられ、その原因として、フィルター５０４の不純物除去能力低下が想定される。これに基づき診断手段５０９はフィルター不良の判断を下す（Ｓ５８）。診断結果に基づき、フィルター５０４を掃除、交換する等の対応を行うことができる。

一方、Ｒｃが大きくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としてのブロア５０３，加湿器５０５、ポンプ５０２ｂ、フィルター５０４に起因する異常はないと考えられるので、空気供給量を元に戻し（Ｓ５９）、次の特定箇所の動作条件を変化させて、診断を続ける。

次に、図６（ｃ）に示すように、Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、ポンプ５０２ｂを制御して、加湿水量、すなわち加湿器５０５へ供給する水量を増加する制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ６０〜Ｓ６３）。

加湿水量を定格時から上げても、通常はＲｍは変わらないが、これに対しＲｍが小さくなった場合には、定格時に燃料電池５０２の燃料電池セルが乾いてドライアップの状態にあると考えられる。この原因は、加湿器５０５の加湿能力低下が想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ６５）。診断結果に基づき、加湿器５０５またはポンプ５０２ｂの調整または交換により、対応が可能となる。

一方、Ｒｍが小さくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としての加湿器５０５，ポンプ５０２ｂに起因する異常はないと考えられるので、加湿水量を元に戻す（Ｓ６６）。

以上のように、Ｒｗ、Ｒｃ、Ｒｍの変化に着目して、酸化剤ガス供給部の異常の有無を判定した。

（発電部に基づく診断）
第３に、発電部の運転条件を変化させることは、燃料電池５０２の温度、電流等の変化を与えるので、回路定数としてＲｗ、Ｒｍの変化に着目することにより発電部の異常の有無を判定する。以下、説明を行う。

Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、ポンプ５０２ｄを制御して燃料電池５０２の冷却水量、すなわち水の供給量を増加する制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ７０〜Ｓ７３）。

燃料電池５０２の燃料電池セルは、冷却水によって温度を制御している。燃料電池セル内の温度分布は、冷却水量に依存し、冷却水量が多いほど温度分布は小さくなる。冷却水量を定格時から増やすと、通常はＲｗがやや小さくなる。これに対し、Ｒｗが大幅に小さくなった場合には、定格時に燃料電池セルの温度分布が大きく、燃料電池５０１を構成するセルのフラッディングが起こっていることが考えられる。そこでＲｗが大幅に小さくなったかどうかを判定する（Ｓ７４）。Ｒｗが大幅に小さくなっていると判断された場合は、フラッディングが起こっていることになるが、この原因は、実際に燃料電池５０２へ供給されている冷却水量が、制御にて設定した値より低くなっているためであって、ポンプ５０２ｄの能力低下にあると想定され、これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ７５）。診断結果に基づき、ポンプ５０２ｄの調整または交換を行うことで対応が可能となる。

一方、Ｒｗが大幅に小さくなっていない場合は、Ｒｍが小さくなっていないかどうかを判定する（Ｓ７６）。Ｒｍが小さくなっていると判断された場合は、定格時に燃料電池セルの温度分布が大きく、燃料電池セルの一部でドライアップが起こっていることが考えられるが、この原因は、実際に燃料電池５０２へ供給されている冷却水量が、制御にて設定した値より低くなっているためであって、ポンプ５０２ｄの能力低下にあると想定され、これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ７７）。診断結果に基づき、ポンプ５０２ｄの調整または交換を行うことで対応が可能となる。

一方、Ｒｍが小さくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としてのポンプ５０２ｄに起因する異常はないと考えられるので、冷却水量を元に戻し（Ｓ７８）、次の特定箇所の動作条件を変化させて、診断を続ける。

次に、図６（ｄ）に示すように、Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、交流電流源５０７を制御して、燃料電池５０２が出力する負荷電流を減少する制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ８０〜Ｓ８３）。

燃料電池５０２から取り出す負荷電流を定格時から下げると、通常はＲｗはやや小さくなる。これに対しＲｍが大幅に小さくなった場合には、定格時に燃料電池５０２の燃料電池セルがフラッディングの状態にあると考えられる。そこでＲｍが大幅に小さくなったかどうかを判定する（Ｓ８４）。Ｒｍが大幅に小さくなっていると判断された場合は、フラッディングが起こっていることになるが、この原因は、燃料電池セルの劣化による濡れ性の増大が想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ８５）。診断結果に基づき、燃料電池５０２の調整または交換により、対応が可能となる。

一方、Ｒｍが小さくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としての燃料電池５０２に起因する異常はないと考えられるので、負荷電流を元に戻す（Ｓ８６）。

以上のように、Ｒｗ、Ｒｍの変化に着目して、電源部の異常の有無を判定した。

（燃料電池そのものの異常の診断）
以上、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部および電源部の各特定箇所の運転条件を変化させ、それに対応する燃料電池５０２の等価回路を構成する各回路係数としてのインピーダンス値の変化に基づき、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部および電源部の、所定箇所の以上の有無を診断する動作を説明したが、一方で、等価回路におけるインピーダンスの変化の原因として、上記特定箇所の変化の他に、燃料電池５０２自体の劣化がある。燃料電池５０２の劣化が、等価回路のインピーダンス（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）全体に寄与した場合、測定によって得られたインピーダンス値の変化が、例えば特定箇所としての改質器の温度変化に起因するものとか、燃料電池５０２の劣化に基づくものかを切り分ける必要がある。

本実施の形態においては、すでに述べたように、診断手段５０９において、特性プロフィール作成手段５０９ａが、インピーダンス演算手段５０８から入力したインピーダンス値と、制御手段５１０から得られた燃料電池発電システムの運転条件を示すパラメータとから、運転条件のパラメータ変化に対応したインピーダンスの変化を特性プロフィールとして作成し、メモリ５０９ｂに記憶している。

本発明による故障診断方法は、運転条件のパラメータ変化がインピーダンス変化に及ぼす影響を予め把握しておき、運転条件を変化させた時にインピーダンスがどのように変化するかを観察することで故障箇所を特定するものである。

運転条件とインピーダンスの関係は、典型的には図７（ａ）のような関係にある。すなわち、ある運転条件パラメータＸに対し、そのＸによってインピーダンスの成分Ｙが変化する。ここで運転条件パラメータＸとは、燃料電池を制御する物理量であり、例えば空気の供給量や冷却水の供給量等である。インピーダンスの成分Ｙとは、インピーダンスを等価回路で解析した回路定数のことであり、Ｘによって主に変化する回路定数をＹとする。例えば、Ｘを空気の供給量とした場合はＹはＲｗに相当する。

通常、運転条件パラメータＸはＹをできるだけ小さくするように設定されるが、多くの場合Ｘを大きくするためにエネルギーが必要であり、むやみにＸを大きくすることは燃料電池システムの全体効率を考えた場合に不利になる。そこで、Ｙを小さくすることによる発電量の向上と、Ｘを小さくすることによるエネルギー消費量の向上を考慮して、システム全体として効率が向上するように適正運転範囲を決めている。多くの場合、インピーダンスＹと運転条件パラメータＸの関係は、図７（ａ）に示すように屈曲点を持ち、適正運転範囲はその屈曲点の近くに存在する。

また運転条件パラメータＸに対するインピーダンスＹが、図７（ｂ）に示すように極小点を持つ場合もあり、この場合には適正運転範囲は、極小点の近辺に設定される。例えば、燃料電池への燃料供給量や燃料への添加水量がこれにあたる。

一例として図６（ｂ）の、酸化剤ガス供給部を構成する特定箇所であるブロア５０３の運転条件を変化させた場合のインピーダンス値の変化を図７（ｃ）を用いて説明する。空気供給量に対するインピーダンス変化を特性プロフィール１で示す。適正流量Ｘ１で制御されている場合のインピーダンスのＲｗ成分をＷ１とする。空気を供給するブロアーが劣化して、Ｘ１に相当する制御を行っているにも関わらず、実際はＸ２に相当する空気流量しか供給されていなかった場合、インピーダンスはＷ２を示すはずである。この時に空気流量を上げる制御を行い、実際の空気流量がＸ２からＸ１に変化するとインピーダンスはＷ２からＷ１へと大幅に減少する。このようにインピーダンスＲｗが大幅に減少した場合には、ブロアー等の空気供給系に異常があったことが示唆される。

一方、ブロアーの劣化が無かった場合には、燃料電池には適正な空気流量Ｘ１が供給されており、インピーダンスもＷ１のままである。この時に空気流量を増大させる制御を行い、実際の空気量がＸ１からＸ３と変化した場合には、インピーダンスはＷ１からＷ３と微減しかしないため、ブロアー等の空気供給系には異常が無かったことが分かる。

故障診断においては、ブロアー等の燃料電池の周辺機器の故障だけでなく、燃料電池そのもの経時的に劣化するため、故障箇所の診断が難しい。本発明の故障診断方法では燃料電池そのものの劣化に起因する異常と周辺機器の故障に起因する異常を切り分けることができる。図７（ｃ）のインピーダンス変化に燃料電池の劣化が重なった例を図７（ｄ）で説明する。

適正流量Ｘ１で制御されている場合の初期のインピーダンスをＷ１とする。燃料電池が劣化した場合のインピーダンス変化を特性プロフィール２で示す。適正流量Ｘ１で制御されている場合にはＷ４となる。空気を供給するブロアーが劣化して、Ｘ１に相当する制御を行っているにも関わらず、実際はＸ２に相当する空気流量しか供給されていなかった場合、インピーダンスはＷ５を示すはずである。この時に空気流量を上げる制御を行い、実際の空気流量がＸ２からＸ１に変化するとインピーダンスはＷ５からＷ４へと大幅に減少する。このようにインピーダンスＲｗが大幅に減少した場合には、ブロアー等の空気供給系に異常があったことが示唆される。

一方、ブロアーの劣化が無かった場合には、燃料電池には適正な空気流量Ｘ１が供給されており、インピーダンスもＷ４のままである。この時に空気流量を増大させる制御を行い、実際の空気量がＸ１からＸ３と変化した場合には、インピーダンスはＷ４からＷ６と微減しかしないため、ブロアー等の空気供給系には異常が無かったことが分かる。

このように燃料電池そのものの劣化の有無に関係無く、周辺機器の故障の有無を検知できる。

以上のように、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池発電システムを構成する部分を水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、発電部に区分けし、各部の特定箇所の運転条件を変化させて、これらに対応した燃料電池のインピーダンスを、定格運転時のインピーダンスと比較することにより、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、発電部の所定箇所毎に、異常の有無を診断することができる。特に、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、発電部毎に専用のセンサ等を設けることがなく、低コストで全体の診断機能を備えたシステムの実現が可能となる。

なお、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池５０２として１つの燃料電池セルからなるものを代表的に示しているが、複数の燃料電池セル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。

また、上記の各診断は、図５においては診断手段５０９を用いて自動的に行ったものとしたが、インピーダンス演算手段５０８の演算結果であるインピーダンスを用いて、診断者が診断してもよい。また、インピーダンスの各コンポーネントの比較結果の値の利用は、演算値の大小比較、またはその差の大きさの比較により行っていたが、演算値の比の大小を利用するようにしてもよい。本発明の診断とはインピーダンスの比較結果を定量化した値の大きさに基づくものであればよく、定量化後の処理の手法によって限定されるものでない。

また、上記の各診断は、燃料電池発電システムの故障個所を一つと想定する場合を例に挙げたが、複数の故障個所を想定するようにしてもよい。この場合でも、故障に対する対応を迅速に行うことができる。また、本発明の故障個所は、上記の説明に示したように、図５に示す各手段であってもよいし、水素生成装置５０１のように、改質器、触媒、バーナ等の複数の構成要素から成り立っている場合は、それら構成要素のいずれか一つまたは複数であるかまで特定できるとしてもよいことは言うまでもない。

また、上記の各診断は、図６（ａ）〜６（ｄ）に示すような一連のフローチャートとして示したが、図８に順不同のテーブルとして示すことができる。各項目毎にもれなく診断できるのであれば、各操作は、上記のフローチャートに従わず、順不同に行ってもよい。また、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、発電部のいずれかについての診断を行いたい場合は、対応する部分の操作だけ行うようにしてもよい。

次に本発明の実施例を具体的に説明する。

始めに、燃料電池５０２の作製について説明する。

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、触媒ペーストを作製した。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、白金の含有量か１ｃｍ^２当り０．３ｍｇになるように調整した。

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、触媒ペーストを作製した。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。
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。

以上のように作製した燃料電池セルを燃料電池５０２に用いて、図５の構成の燃料電池発電システムを作製した。尚、水素生成装置５０１としては、特開２００３−２５２６０４記載の方法に従って作製した。水素生成装置の断面図を図１２に示す。図１２に示すように、本実施の形態の水素生成装置５０１は、燃焼ガスを発生するバーナ１６と、このバーナ１６の上方に設けられた円筒状の燃焼室１７とを備えている。この燃焼室１７の外周側には、筒状の改質器１０が燃焼室１７と同軸上に設けられている。改質器１０は、水蒸気改質触媒が充填されている触媒層を収容しており、その触媒層内で原料ガスを水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する。

なお、水素生成装置５０１の外側には、燃料電池５０２が設けられており、これら水素生成装置５０１および燃料電池５０２により本発明の燃料電池システムが構成されている。改質器１０において生成された改質ガスは改質ガス排出口２７から排出されて燃料電池５０２に供給される。

また、改質器１０の外周側には該改質器１０において生成された改質ガスを改質ガス排出口２７へ導くための筒状の改質ガス流路１１が、改質ガス流路１１の外周側にはバーナ１６において発生した燃焼ガスが流れる筒状の燃焼ガス流路１２が、それぞれ燃焼室１７と同軸上に設けられている。燃焼ガス流路１２は、筒状の断熱材１３および筒体１４によって区画された流路からなり、燃焼ガス排出口１５に向けて燃焼ガスを導くように構成されている。

更に、燃焼ガス流路１２の外周側であって、水素生成装置５０１の最外周には、筒状の蒸発室２８が燃焼室１７と同軸上に設けられている。この蒸発室２８は、筒状の第１蒸発室１８および該第１蒸発室１８と筒状の隔壁２１を隔てて設けられた第２蒸発室２２から構成されている。ここで、第２蒸発室２２は燃焼ガス流路１２側に位置し、第１蒸発室１８は隔壁２１を介して第２蒸発室２２の外周側、すなわち水素生成装置５０１の最外周に位置している。第１蒸発室１８の上方部には、少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料Ｘを装置内に供給するための原料入り口１９および水Ｙを同じく供給するための水入り口２０が形成されている。なお、少なくとも炭素および水素から構成される化合物としては、例えばメタン、エタン、プロパンなどの炭化水素、都市ガス、天然ガス、メタノールなどのアルコール、灯油、およびＬＰＧ（液化石油ガス）などが挙げられる。なお、図５では都市ガスとしている。また、第２蒸発室２２の上方部には、蒸発室２８において発生した水蒸気の出口である水蒸気出口２４が設けられている。この水蒸気出口２４は水蒸気供給パイプ２５を介して改質器１０と接続されている。したがって、水蒸気出口２４から排出される水蒸気は、水蒸気供給パイプ２５を介して改質器１０へ供給されることになる。

またフィルター５０４は、長瀬産業製ＭＣハニカムとＨＥＰＡフィルターで構成し、空気中の塵およびＮＯｘ、ＳＯｘを除去するものである。

燃料極側には、都市ガスに水を添加して水素生成装置５０１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６５℃）を供給し、酸素極側には露点が７０℃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。

冷却水を燃料電池セルの入口側で７０℃、出口側で７２℃〜７５℃になるように調整した。

燃料電池セルの電圧は０．７５Ｖだった。

図９にセル電圧の経時変化を示す。セル電圧は時間と共に徐々に低下し、運転を開始してから５０００時間経過後にセル電圧は０．７０Ｖ以下に低下した。

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。

インピーダンス演算手段５０８は周波数応答アナライザー（ＳＯＬＡＲＴＲＯＮ社製 ＳＩ１２５０）と電子負荷（ＳＣＲＩＢＮＥＲ社製 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ ＳＥＲＩＥＳ８９０Ｂ）の組み合わせで構成した。

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＋Ｒａ、１０Ｈｚの実数成分をＲｍ＋Ｒａ＋Ｒｃ、０．１Ｈｚの実数成分をＲｍ＋Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｗとして、定格時のＲｍ、Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗをそれぞれ算出した。

図１０に示すように運転条件を変化させて同様にインピーダンスを測定した。図１０に運転条件変更前後の抵抗値と判定を示す。これにより、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、フィルター５０４を点検すると詰まっていることが分かったため、フィルター５０４の交換を行った。

またバーナー１６の不良による転嫁率低下が起こっていることが分かり、バーナー１６のクリーニングを行った。

その後、定格条件にて再度発電を再開したところ、セル電圧は０．７３Ｖに回復した。

さらに発電を継続したところ、燃料電池５０２のセル電圧は時間と共に徐々に低下し、合計運転時間が１００００時間経過後にセル電圧は０．６８Ｖ以下に低下した。図７にセル電圧の経時変化を示す。

再度、定格条件および運転条件を変化させた時のインピーダンスを測定した。図１１に運転条件変更前後の抵抗値と判定を示す。これにより、加湿器５０５の不良と、改質器の触媒劣化が起こっていることが分かり、加湿器５０５と改質器１０の交換を行った。その後、定格条件にて再度発電を再開したところ、セル電圧は０．７３Ｖに回復した。

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。

冷却水ポンプ５０２ｄの能力を７０％に低下させると、セル電圧は０．７２Ｖに低下した。
力を１００％に戻して再度インピーダンスを測って比較したところ、冷却水量を増大した後にはＲｗが５．３ｍΩから２．５ｍΩに大幅減少しており、定格時の冷却水ポンプ５０２ｄの能力不足が確認できた。

（比較例）
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、途中のインピーダンス演算や修理を行わないで発電を継続したところ、図９に示すように燃料電池５０２の発電電圧は低下し、発電開始から７０００時間を経過すると急激に電圧が低下して発電不可能となった。

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故障箇所を特定することができ、これにより迅速な修理を行うことで、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。

なお、本発明にかかるプログラムは、上述した本発明の燃料電池システムの故障診断装置の全部または一部の手段の機能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ってもよい。

また、本発明は、上述した本発明の燃料電池システムの故障診断装置の全部または一部の手段の全部または一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する媒体であってもよい。

なお、本発明の上記「一部の手段」とは、それらの複数の手段の内の、幾つかの手段を意味し、あるいは、一つの手段の、一部の機能または一部の動作を意味するものである。

また、本発明の一部の装置とは、それらの複数の装置の内の、幾つかの装置を意味し、あるいは、一つの装置の内の、一部の手段を意味し、あるいは、一つの手段の内の、一部の機能を意味するものである。

また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。

また、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取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態様であっても良い。

また、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、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

また、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機構、光・電波・音波等が含まれる。

また、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。

なお、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。

本発明にかかる燃料電池システムの故障診断方法、故障診断装置は、燃料電池の発電異常の原因を迅速に特定でき、修理を効率良く行うことができ、有用である。

【０００２】
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がある（たとえば、特開２００２−３６７６５０号公報参照）。
［０００９］ 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。
［００１０］ しかしながら、上述した従来の判定技術では、燃料電池の異常の有無は検知できるが、その異常の原因となる故障箇所が、燃料電池システム全体のどこであるか特定することは困難である。
［００１１］ すなわち、電圧の低下がガス拡散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、さらに、ガス拡散を阻害する要因や電極の反応性を低下させる原因となる、故障箇所を特定することまではできない。
［００１２］ 本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、燃料電池システムのメンテナンスにおいて、燃料電池の発電異常または発電電圧の低下が生じた場合、システム内の故障箇所を特定して、スムーズな修理ができる燃料電池システムの故障診断方法、故障診断装置等を提供することを目的とする。
【発明の開示】
［００１３］ 上記の目的を達成するために、第１の本発明は、ある運転条件下で燃料電池システムから発生する直流電流に、交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分のインピーダンスを演算する工程を備え、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したときのインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定し、前記決定は、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムの有する燃料電池そのものにあるか、前記燃料電池以外の前記所定箇所にあるかを切り分けるものである、燃料電池システムの故障診断方法である。
［００１４］ このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が

【０００３】
、燃料電池システムの所定箇所のいずれかにあることを判断することができ、燃料電池システムに異常が生じた場合、その異常の原因を迅速に特定できる。
［００１５］
［００１６］ また、第３の本発明は、前記決定は、
前記基準運転条件下における、前記燃料電池システムの各所定箇所の運転条件と前記燃料電池の各所定部分のインピーダンスとの対応関係を特性プロフィールとして用い、
前記ある運転条件として、前記所定箇所の運転条件を前記基準運転条件下におけるものより大きく変化させ、その変化に応じて測定した診断インピーダンスを、前記特性プロフィールのインピーダンスと比較し、
前記診断インピーダンスの、前記特性プロフィールのインピーダンスからの変化が、前記特性プロフィールに基づき判断できる場合は、その原因がその所定箇所にあるものと判断し、判断できない場合は、その所定箇所にないと判断する
ことにより行う、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。
［００１７］ これらの本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所を個別に特定する際に、複数の原因を切り分けて、迅速に特定できる。
［００１８］ また、第４の本発明は、前記燃料電池システムは、
前記燃料電池を有する発電部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備え、
前記所定箇所は、

【０００５】
前記直流電流に前記交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分に対応するインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する診断手段とを備え、
前記診断手段は、
前記基準運転条件下における、前記燃料電池システムの各所定箇所の運転条件と前記燃料電池の各所定部分のインピーダンスとの対応関係を特性プロフィールとして用い、
前記ある運転条件として、前記所定箇所の運転条件を前記基準運転条件下におけるものより大きく変化させ、その変化に応じて測定した診断インピーダンスを、前記特性プロフィールのインピーダンスと比較し、
前記診断インピーダンスの、前記特性プロフィールのインピーダンスからの変化が、前記特性プロフィールに基づき判断できる場合は、その原因がその所定箇所にあるものと判断し、判断できない場合は、その所定箇所にないと判断することにより行う、燃料電池システムの故障診断装置である。
［００２５］ このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所のいずれかにあることを判断することができ、燃料電池システムに異常が生じた場合、その異常の原因を迅速に特定できる。
［００２６］
［００２７］ また、このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所を個別に特定する際に、複数の原因を切り分けて、迅速に特定できる。
［００２８］ また、第１２の本発明は、第１０の本発明の燃料電池システムの故障診断装置を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池を有する発電部と、

【０００７】
前記所定箇所として、前記燃料電池を含んでいる、第１２の本発明の燃料電池システムである。
［００３３］ また、第１７の本発明は、第１０の本発明の燃料電池システムの故障診断装置の、前記直流電流に前記交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分に対応するインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する診断手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
［００３４］ また、第１８の本発明は、第１７の本発明のプログラムを記録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。
［００３５］ また、第１９の本発明は、燃料電池を有する発電部と、前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備えた燃料電池システムに対し、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法に用いる
前記所定箇所を特定する燃料電池システムの診断箇所特定方法であって、
燃料電池システムから発生する直流電流に、交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の複数の所定部分のインピーダンスを演算する工程と、
前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを運転箇所として特定する工程と、
前記運転箇所を、その運転条件を変化させて前記燃料電池システムを動作させ、そのときに、前記燃料電池の複数の所定部分のいずれの前記インピーダンスが変化するかを観測することにより、前記運転箇所を、前記所定箇所として特定する、燃料電池システムの診断箇所特定方法である。
［００３６］ このような本発明によれば、上記燃料電池システムの故障診断方法において、診断に必要な対象となる燃料電池システムのどの部分を用いればよいかを、特定すること

【０００８】
が可能となる。
［００３７］ 本発明は、燃料電池システムの運転に際して、発電異常の原因となる故障箇所を迅速に特定できるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
［００３８］［図１］本発明の実施の形態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説明図
［図２］本発明の実施の形態のセルのインピーダンスを表す等価回路の説明図
［図３］本発明の実施の形態における交流電流の振幅に対するＳ／Ｎ比を示した図
［図４（ａ）］本発明の実施の形態のインピーダンスと周波数との関係を表す説明図
［図４（ｂ）］本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図
［図４（ｃ）］本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図
［図４（ｄ）］本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図
［図５（ａ）］本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成図
［図５（ｂ）］本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成図
［図６（ａ）］本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図
［図６（ｂ）］本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図
［図６（ｃ）］本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図
［図６（ｄ）］本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図
［図７（ａ）］本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図
［図７（ｂ）］本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図
［図７（ｃ）］本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図
［図７（ｄ）］本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図
［図８］本発明の実施の形態の診断箇所を説明するためのチャートを示す図

【書類名】明細書
【発明の名称】 燃料電池システムの故障診断方法とこれを用いた故障診断装置、および燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば高分子電解質型の燃料電池の発電異常や発電電圧低下の発生時などに故障箇所を特定するための燃料電池システムの診断方法とこれを用いた故障診断装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、酸素を含む酸化剤ガス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ものであり、一対のカソードとアノードとからなる燃料電池セル、または燃料電池セルが複数個直列に接続された燃料電池スタックで構成される。
【０００３】
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。
【０００４】
以上のように燃料電池を作動させるための周辺機器は多数の部材から構成されており、複雑に連動している。
【０００５】
周辺機器の一部が故障した場合、結果として燃料電池の発電異常が現れる。故障箇所を修理するためには、故障箇所の特定が不可欠である。さらには、故障修理のために燃料電池システム全体を移動させることは非経済的であるため、故障箇所の特定は、その燃料電池システムが設置されているその場で行えることが望ましい。
【０００６】
一般的には燃料電池セルの電圧をモニターすることで燃料電池の発電異常を検知しているが、この方法によって発電異常の原因まで判定することは困難である。
【０００７】
より具体的に述べると、燃料電池セルの電圧低下の原因が、ガス拡散が阻害されて拡散抵抗が増大したことにあるのか、電極の反応性が低下して反応抵抗が増大したことにあるのかが判定できない。
【０００８】
このような発電異常の原因を判定するための技術として、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がある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００９】
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。
【特許文献１】 特開２００２−３６７６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した従来の判定技術では、燃料電池の異常の有無は検知できるが、その異常の原因となる故障箇所が、燃料電池システム全体のどこであるか特定することは困難である。
【００１１】
すなわち、電圧の低下がガス拡散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、さらに、ガス拡散を阻害する要因や電極の反応性を低下させる原因となる、故障箇所を特定することまではできない。
【００１２】
本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、燃料電池システムのメンテナンスにおいて、燃料電池の発電異常または発電電圧の低下が生じた場合、システム内の故障箇所を特定して、スムーズな修理ができる燃料電池システムの故障診断方法、故障診断装置等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】
【００１３】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、ある運転条件下で燃料電池システムから発生する直流電流に、交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分のインピーダンスを演算する工程を備え、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したときのインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定し、前記決定は、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムの有する燃料電池そのものにあるか、前記燃料電池以外の前記所定箇所にあるかを切り分けるものである、燃料電池システムの故障診断方法である。
【００１４】
このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所のいずれかにあることを判断することができ、燃料電池システムに異常が生じた場合、その異常の原因を迅速に特定できる。
【００１５】
また、第２の本発明は、前記決定は、
前記基準運転条件下における、前記燃料電池システムの各所定箇所の運転条件と前記燃料電池の各所定部分のインピーダンスとの対応関係を特性プロフィールとして用い、
前記ある運転条件として、前記所定箇所の運転条件を前記基準運転条件下におけるものより大きく変化させ、その変化に応じて測定した診断インピーダンスを、前記特性プロフィールのインピーダンスと比較し、
前記診断インピーダンスの、前記特性プロフィールのインピーダンスからの変化が、前記特性プロフィールに基づき判断できる場合は、その原因がその所定箇所にあるものと判断し、判断できない場合は、その所定箇所にないと判断する
ことにより行う、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。
【００１６】
これらの本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所を個別に特定する際に、複数の原因を切り分けて、迅速に特定できる。
【００１７】
また、第３の本発明は、前記燃料電池システムは、
前記燃料電池を有する発電部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備え、
前記所定箇所は、
前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを含むものであり、
これら特定箇所の運転条件を変化させることにより、前記決定を行う、第２の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。
【００１８】
また、第４の本発明は、前記水素ガス供給部の前記特定箇所は、
前記改質器に改質用の水を供給するための第１のポンプ、前記改質器に原料を供給するためのブースター、および前記改質器を加熱するためのバーナーであり、
前記所定箇所として、前記改質器を含んでいる、第３の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。
【００１９】
また、第５の本発明は、前記酸化剤ガス供給部の前記特定箇所は、
外気を取り入れて前記燃料電池側へ導くためのブロア、前記ブロアが取り入れた前記外気を加湿する加湿器、および前記加湿器に水を供給するための第２のポンプであり、
前記所定箇所として、前記ブロアの前段に設けられたフィルタを含んでいる、第３の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。
【００２０】
また、第６の本発明は、前記発電部の前記特定箇所は、
前記燃料電池および前記燃料電池へ冷却水を供給するための第３のポンプであり、
前記所定箇所として、前記燃料電池を含んでいる、第３の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。
【００２１】
また、第７の本発明は、前記燃料電池の前記所定部分は、
前記燃料電池を、前記所定部分を抵抗として有する等価回路と見なし、周波数の異なる前記交流電流毎に前記インピーダンスを演算することにより決定する、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。
【００２２】
また、第８の本発明は、前記交流電流の振幅は、前記直流電流値の実質上５％〜１０％の大きさである、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法である。
【００２３】
また、第９の本発明は、燃料電池システムの燃料電池から発生する直流電流に重畳する、周波数可変の交流電流を供給する交流電流源と、
前記直流電流に前記交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分に対応するインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する診断手段とを備え、
前記診断手段は、
前記基準運転条件下における、前記燃料電池システムの各所定箇所の運転条件と前記燃料電池の各所定部分のインピーダンスとの対応関係を特性プロフィールとして用い、
前記ある運転条件として、前記所定箇所の運転条件を前記基準運転条件下におけるものより大きく変化させ、その変化に応じて測定した診断インピーダンスを、前記特性プロフィールのインピーダンスと比較し、
前記診断インピーダンスの、前記特性プロフィールのインピーダンスからの変化が、前記特性プロフィールに基づき判断できる場合は、その原因が所定箇所にあるものと判断し、判断できない場合は、その所定箇所にないと判断することにより行う、燃料電池システムの故障診断装置である。
【００２４】
このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所のいずれかにあることを判断することができ、燃料電池システムに異常が生じた場合、その異常の原因を迅速に特定できる。
【００２５】
また、このような本発明によれば、燃料電池の所定部分のインピーダンスの変化の原因が、燃料電池システムの所定箇所を個別に特定する際に、複数の原因を切り分けて、迅速に特定できる。
【００２６】
また、第１０の本発明は、第９の本発明の燃料電池システムの故障診断装置を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池を有する発電部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備え、
前記所定箇所は、
前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを含むものであり、
これら特定箇所の運転条件を変化させることにより、前記診断手段は前記決定を行う、燃料電池システムである。
【００２７】
また、第１１の本発明は、前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の運転条件を変化させる制御手段をさらに備え、
前記診断手段は、前記制御手段から前記運転条件の変化のパラメータを取得して、前記決定を行う、第１０の本発明の燃料電池システムである。
【００２８】
また、第１２の本発明は、前記水素ガス供給部の前記特定箇所は、
前記改質器に改質用の水を供給するための第１のポンプ、前記改質器に原料を供給するためのブースター、および前記改質器を加熱するためのバーナーであり、
前記所定箇所として、前記改質器を含んでいる、第１０の本発明の燃料電池システムである。
【００２９】
また、第１３の本発明は、前記酸化剤ガス供給部の前記特定箇所は、
外気を取り入れて前記燃料電池側へ導くためのブロア、前記ブロアが取り入れた前記外気を加湿する加湿器、および前記加湿器に水を供給するための第２のポンプであり、
前記所定箇所として、前記ブロアの前段に設けられたフィルタを含んでいる、第１０の本発明の燃料電池システムである。
【００３０】
また、第１４の本発明は、前記発電部の前記特定箇所は、
前記燃料電池および前記燃料電池へ冷却水を供給するための第３のポンプであり、
前記所定箇所として、前記燃料電池を含んでいる、第１０の本発明の燃料電池システムである。
【００３１】
また、第１５の本発明は、第９の本発明の燃料電池システムの故障診断装置の、前記直流電流に前記交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分に対応するインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する診断手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００３２】
また、第１６の本発明は、第１５の本発明のプログラムを記録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。
【００３３】
また、第１７の本発明は、燃料電池を有する発電部と、前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備えた燃料電池システムに対し、第１の本発明の燃料電池システムの故障診断方法に用いる前記所定箇所を特定する燃料電池システムの診断箇所特定方法であって、
燃料電池システムから発生する直流電流に、交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の複数の所定部分のインピーダンスを演算する工程と、
前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを運転箇所として特定する工程と、
前記運転箇所を、その運転条件を変化させて前記燃料電池システムを動作させ、そのときに、前記燃料電池の複数の所定部分のいずれの前記インピーダンスが変化するかを観測することにより、前記運転箇所を、前記所定箇所として特定する、燃料電池システムの診断箇所特定方法である。
【００３４】
このような本発明によれば、上記燃料電池システムの故障診断方法において、診断に必要な対象となる燃料電池システムのどの部分を用いればよいかを、特定することが可能となる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は、燃料電池システムの運転に際して、発電異常の原因となる故障箇所を迅速に特定できるという長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
はじめに、本実施の形態の燃料電池システムの故障診断方法等について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。
【００３７】
燃料電池を構成する燃料電池セルは、水素イオン伝導性電解質膜とその両側に配置された電極で構成されており、いわゆる高分子電解質型である。
【００３８】
この電極の一方に燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素含有ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータ板を具備することで、燃料電池セルが構成される。なお、燃料ガスが供給される電極がアノードであり、酸素含有ガスが供給される電極がカソードである。
【００３９】
この燃料電池セルを数十から数百個積層して、一つの燃料電池スタックを構成する。
【００４０】
燃料電池セルのインピーダンスは、アノードのインピーダンス、カソードのインピーダンス、電解質膜のインピーダンス、および各構成要素の接触抵抗からなる。
【００４１】
本発明の実施の形態における、後述する重畳用の交流電流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説明図である図１には、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が示されている。
【００４２】
なお、本発明者は、このインピーダンスの挙動を表す等価回路として、図２に示す、本発明の実施の形態の燃料電池セルのインピーダンスを表す等価回路が最も高い精度を有することを見出した。
【００４３】
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。
【００４４】
燃料電池から取り出す直流電流の電流振幅値の１０％程度以下の微小振幅を有し、周波数ｆの交流電流を、燃料電池の直流電流に重畳して、後に取出す。
【００４５】
そして、その時に測定されるセル電圧の交流成分およびセル電流の交流成分の振幅および位相からインピーダンスを演算する。重畳する交流電流の振幅が大きいなど、ノイズに対するシグナルの比（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。
【００４６】
一方、燃料電池の場合、セル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。
【００４７】
よって、印加する交流電流の振幅は、直流電流の５％〜１０％程度が望ましい。
【００４８】
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）。
【００４９】
また、測定時の燃料電池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、燃料電池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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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）。
【００５４】
図２のような、抵抗（抵抗値）Ｒｍ、Ｒａ、Ｒｃ、コンデンサ（容量値）Ｃａ、Ｃｃ、およびワールブルグインピーダンスＷｃ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。
【００５５】
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、本発明の所定部分の特性としての等価回路のコンポーネント（Ｒｍ、Ｒａ、Ｒｃ、Ｃａ、Ｃｃ、Ｗｃ）の値を算出する。
【００５６】
等価回路のコンポーネントのそれぞれの物理的な意味は、Ｒｍは電解質膜の抵抗値、Ｒａはアノード反応抵抗、Ｒｃはカソード反応抵抗、Ｃａはアノード二重層容量、Ｃｃはカソード二重層容量、Ｗｃはカソード拡散インピーダンスをそれぞれ表す。
【００５７】
ここでＷｃは、（数３）で記述される有限長ワールブルインピーダンスである。
（数３）
Ｗｃ＝Ｒｗ・ｔａｎｈ(ｊＴω)^P／(ｊＴω)
Ｐ＝０．５ Ｔ＝Ｌ²／Ｄ

（数３）において、Ｌは有効拡散厚、Ｄは拡散係数、ωは交流信号の角速度である。またＲｗはカソード拡散抵抗を示し、ω→０の時のＷｃに等しい。以降、拡散インピーダンスを示すコンポーネントとしてカソード拡散抵抗Ｒｗを用いる。
【００５８】
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、Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ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。
【００５９】
すなわち、図４（ａ）〜（ｄ）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がＲｍとほぼ等しく、２００Ｈｚの実数成分はＲｍ＋Ｒ
ａ、１０Ｈｚの実数成分はＲｍ＋Ｒａ＋Ｒｃ、０．１Ｈｚの実数成分はＲｍ＋Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｗである。
【００６０】
次に、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ると、以下のような結果が得られた。
【００６１】
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、Ｒｗが主に変化した。
【００６２】
燃料ガス中の水素の濃度を変化させた場合には、Ｒａが主に変化した。
【００６３】
また、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。
【００６４】
つまり、燃料電池を動作させるための各条件の変化は、燃料電池を等価回路に見立てたときの各コンポーネントの変化は関連しており、特定の条件が特定のコンポーネントに対応していることがわかる。
【００６５】
これから、以下のようなことが見いだされる。すなわち、燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気の利用率を変化させるのに必要な構成要素、燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の濃度を変化させるのに必要な構成要素、および燃料電池の温度分布を変化させるのに必要な構成要素を所定箇所としてそれぞれ特定すれば、等価回路中の各コンポーネントの抵抗値の変化は、これら所定箇所の運転状態を反映するものとみることができる。
【００６６】
したがって、上記所定箇所の運転条件を変化させたときに、等価回路の各コンポーネントの抵抗値がどのように変化するかを観測することによって、燃料電池システムに対して設定した運転条件と実際の運転状態との偏差、すなわち異常が生じた場合、その異常がどこに生じたかを、上記所定箇所レベルで同定することが可能となる。
【００６７】
具体的には、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っておき、等価回路のコンポーネントの定格値を記憶しておく。
【００６８】
そして、運転条件を変化させた時のインピーダンスを測って求めた等価回路のコンポーネントの値を記憶しておいた定格時の値と比較することで、等価回路のコンポーネントの値の変化を判断する。異常な変化を示すコンポーネントがあった場合、そのコンポーネントの変化はどの所定箇所の運転条件の変化に対応しているかを得られていることから、燃料電池システムの故障箇所は、異常の発見と同時に、特定できることになる。
【００６９】
以下、本発明の実施の形態について、さらに詳細に説明する。
【００７０】
（実施の形態）
はじめに、本発明の実施の形態の燃料電池発電システムおよび燃料電池発電システムの故障診断装置の構成図である図５（ａ）を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムおよび故障診断装置の構成について説明を行う。
【００７１】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、都市ガスに水を添加して水素生成装置５０１で改質して水素を含むガスを作り、それを燃料ガスとして燃料電池５０２のアノード（図示せず）に供給し、空気を加湿してカソード（図示せず）に供給して発電する燃料電池発電システムであって、他に水素生成装置５０１に水を供給するためのポンプ５０２ａ、都市ガスを加圧するブースター５０２ｃ、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池５０１へ導入するためのブロア５０３，燃料電池５０２に冷却水を供給する冷却水ポンプ５０２ｄ、ブロア５０３により導入される空気から塵やその他の不純物を除去するためのフィルター５０４，フィルター５０４を通過した空気を加湿する加湿器５０５，加湿器５０５に水を供給するためのポンプ５０２ｂ、燃料電池からの直流電流（ＤＣ）を交流電力に変換するインバータ５０６と、これら各部の動作を制御する制御手段５１０とを備えている。
【００７２】
また、燃料電池システムの故障診断装置は、インバータ５０６と選択的に燃料電池からの直流電流を受け、これに上述した交流電流を重畳する交流電流源５０７と、交流電流と直流電流とが重畳された信号からインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段５０８と、制御手段５１０からの情報と、インピーダンス演算手段５０８の演算したインピーダンスとを用いて、燃料電池システムの燃料電池の異常を判断し、その異常が燃料電池システムのどの構成部分に起因しているかを決定する診断手段５０９とを備える。
【００７３】
なお、上記の構成において、改質器、改質器を加熱するためのバーナー、ポンプ５０２ａおよびブースター５０２ｃは、本発明の水素ガス供給部を構成する。また、ブロア５０３，ポンプ５０２ｂ、フィルター５０４および加湿器５０５は本発明の酸化剤ガス供給部を構成する。また、ポンプ５０２ｄおよび燃料電池５０１は、本発明の発電部を構成する。
【００７４】
次に、図５（ｂ）に診断手段５０９の構成を示す。診断手段５０９はインピーダンス演算結果および制御手段５１０から入力される燃料電池システムの各部の動作条件のパラメータの入力を受け、これらから各部の特性プロフィールを作成する特性プロフィール作成手段５０９ａ、作成された特性プロフィールを記憶するメモリ５０９ｂ、特性プロフィールとインピーダンス演算結果とを比較することにより、異常の有無および故障個所を特定する診断本体部５０９ｃ、および診断結果等を表示する表示部５０９ｄを有する。なお、メモリ５０９は診断本体部５０９からのデータ、制御手段５１０からのデータおよびインピーダンス演算結果をそれぞれ記憶することもできる。また、表示部５０９ｄは、音声、映像等により診断結果等を表示できる手段であれば、スピーカ、ディスプレイ等の従来公知の手段により実現してよい。
【００７５】
水素生成装置５０１は、改質器、改質器を加熱するバーナー、改質器から出力された改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器などから構成されるものであり、改質器内にて都市ガス中のメタンと水を改質反応させて、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。なお、水素生成装置５０１の構成の一例の詳細は各実施例にて説明するが、水素生成装置の構成は従来公知のものであってもよい。要するに本発明は水素生成装置の具体的な構成によって限定されるものではない。
【００７６】
通常発電時には燃料電池５０２の負荷電流をインバーター５０６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。
【００７７】
故障診断時には、燃料電池の負荷電流をインバーター５０６に流す代わりに交流電流源５０７に流し、直流の負荷電流に交流信号を重畳させ、インピーダンス演算手段５０８が、燃料電池５０２のセルに接続した電圧測定端子から検出される電圧と、セルに流れる電流から複素インピーダンスを測定し、その測定結果を、診断手段５０９に入力する。このとき、故障診断時に動作させた特定部分の運転条件のパラメータは、制御手段１０から診断手段５０１に入力される。診断手段５０９においては、特性プロフィール作成手段５０９ａが、上記２つの入力から、運転条件のパラメータ変化に対応したインピーダンスの変化を特性プロフィールとして生成し、メモリ５０９ａへ記憶させている。
【００７８】
次に、本実施の形態の燃料電池発電システムの故障診断方法について説明を行うとともに、これにより、本発明の燃料電池発電システムの故障診断装置、および燃料電池発電システムの一実施の形態について、図６（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示すフローチャートを参照して、説明を行う。
【００７９】
まず始めに、本発明の予め定めた基準運転条件としての定格運転条件で燃料電池システムの発電を行い、その時のインピーダンスを測定して等価回路の各コンポーネントの値を求める。図６（ａ）に示すように、具体的には、燃料電池発電システムを定格運転して（Ｓ１０）、その際の燃料電池５０２のインピーダンスをインピーダンス演算手段５０８が計測し（Ｓ１１）、これに基づき図２の等価回路を算出し（Ｓ１２）、この等価回路のコンポーネントである定格時回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を診断手段５０９のメモリ５０９ｂに記憶する（Ｓ１３）。なお、定格時回路係数は、本願発明の特性プロフィールのインピーダンスに相当する。
【００８０】
次に、燃料電池発電システムの水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、および発電部をそれぞれ構成する各部の運転条件を変化させる。これら各部の運転条件を変化させることは、燃料電池５０１への酸化剤ガスとしての空気、燃料ガスとしての水素ガス、および燃料電池５０１の温度分布を変化させることになり、これらの変化は、等価回路の各回路定数Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍの変化として現れる。なお、運転条件を変化させる各部は、本発明の特定箇所に相当する。
【００８１】
したがって、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、および発電部をそれぞれ構成する各部の運転条件を変化させ、これらの変化に等価回路中の抵抗値がどのように変化するかを観測することにより、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、および発電部の異常の有無を診断、決定できることになる。
【００８２】
（水素ガス供給部に基づく診断）
第１に、水素ガス供給部の運転条件を変化させることは燃料ガス中の水素の濃度の変化を与えるので、回路定数としてＲａの変化に着目することで水素ガス供給部の異常の有無を判定できる。以下、説明を行う。
【００８３】
制御手段５１０は、改質器への燃料供給量、すなわち都市ガスの供給量を増やすようにブースター５０２ｃの制御を行い（Ｓ２０）、燃料供給量が増加した後の燃料電池５０２のインピーダンスをインピーダンス演算手段５０８が計測し（Ｓ２１）、これに基づき新たに図２の等価回路を算出し（Ｓ２２）、この等価回路のコンポーネントである、本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し（Ｓ２２）、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ２３）。
【００８４】
改質器への燃料供給量を定格時から増やすと、通常はＲａがやや小さくなる。これに対し、異常がある場合は、Ｒａはこれとは異なる変化をとる。この異なる変化が、経験的に得られた水素ガス供給部の所定箇所の異常と関連したものかどうかを判定する。このようなＲａの定格からの変化と（改質部やブースター５０２のような）水素ガス供給部の所定箇所の異常との関係は経験的に得られるものであり、あらかじめ診断手段５０９のメモリ５０９ｂに記憶されている。これを用いて、診断本体部５０９ｃは、Ｒａの変化が、所定箇所の異常と関連しているかどうかを判断する。
【００８５】
まず、Ｒａが大幅に小さくなった場合には、定格時に燃料利用率Ｕｆが異常に大きくなっていることが考えられるため、まずＲａが大幅に小さくなったかどうかを判断する（Ｓ２４）。Ｒａが大幅に小さくなる原因として、都市ガスを加圧するブースター５０２ｃの能力が低下し本来の能力を出しておらず、燃料不足が起こっていることが想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ２５）。診断結果に基づき、ブースター５０２ｃの調整または交換を行うと、修理が完了することになる。
【００８６】
一方、Ｒａが大幅に小さくならないと判定された場合は、さらに増大しているかどうかを判定する（Ｓ２６）。Ｒａが増大する原因として、定格時に水素生成装置５０１の中の改質器においてメタンの水素への転嫁率が低下していることが考えられるからである。転嫁率の低下は触媒劣化に起因するものであるから、これに基づき診断手段５０９は触媒劣化の判断を下す（Ｓ２７）。診断結果に基づき、改質器を交換する等の対応を行うことができる。
【００８７】
Ｒａが増大もしていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としての改質器、ブースター５０２ｃに起因する異常はないと考えられるので、燃料供給量を元に戻し（Ｓ２８）、次の特定箇所の動作条件を変化させて、診断を続ける。
【００８８】
制御手段５１０は、改質器への添加水量、すなわち燃料である都市ガスに添加する水の供給量を増やすようにポンプ５０２ａの制御を行い（Ｓ３０）、添加水量が増加した後の燃料電池５０２のインピーダンスをインピーダンス演算手段５０８が計測し（Ｓ３１）、これに基づき新たに図２の等価回路およびそのコンポーネントである定格時回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し（Ｓ３２）、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ３３）。
【００８９】
改質器への添加水量を定格時から増やすと、通常はＲａがやや大きくなる。これに対し、異常がある場合は、Ｒａはこれとは異なる変化をとる。この異なる変化が、経験的に得られた水素ガス供給部の所定箇所の異常と関連したものかどうかを判定する。
【００９０】
まず、Ｒａが小さくなった場合には、定格時に燃料中の水蒸気／炭素比（Ｓ／Ｃ）が適正でないことが考えられるため、Ｒａが小さくなったかどうかを判断する（Ｓ３４）。Ｒａが小さくなった場合は、Ｓ／Ｃが適正でないということになるが、この原因は水を供給するポンプ５０２ａの故障が想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ２５）。診断結果に基づき、ポンプ５０２ｃの調整または交換を行うと、修理が完了することになる。
【００９１】
一方、Ｒａが小さくならないと判定された場合は、さらに大幅に増大していないかどうかを判定する（Ｓ３６）。Ｒａが大幅に増大する原因として、定格時に水素生成装置５０１の中の改質器においてメタンの水素への転嫁率が低下していることが考えられるからである。転嫁率の低下は触媒劣化に起因するものであるから、これに基づき診断手段５０９は触媒劣化の判断を下す（Ｓ３７）。診断結果に基づき、改質器を交換する等の対応を行うことができる。
【００９２】
Ｒａが大幅に増大もしていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としての改質器、ポンプ５０２ａに起因する異常はないと考えられるので、添加水量を元に戻し（Ｓ３８）、次の特定箇所の動作条件を変化させて、診断を続ける。
【００９３】
次に、図６（ｂ）に示すように、Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、バーナーを制御して改質器の温度を上昇する制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ４０〜Ｓ４２）。
【００９４】
改質器の温度を定格時から上げると、通常はＲａがやや大きくなる。これに対しＲａが小さくなった場合には、定格時に改質器の温度低下によって転嫁率が低下していることが考えられるため、Ｒａが小さくなったかどうかを判断する（Ｓ４４）。Ｒａが小さくなった場合は、改質器においてメタンの水素への転嫁率が低下していることが考えられるが、これは改質器を加温するバーナーの不良に起因するものであるから、これに基づき診断手段５０９はバーナー不良の判断を下す（Ｓ４５）。診断結果に基づき、バーナーのクリーニング、交換等の対応を行うことができる。
【００９５】
一方、Ｒａが小さくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としてのバーナーに起因する異常はないと考えられるので、改質器温度を元に戻す（Ｓ４６）。
【００９６】
以上のように、Ｒａの変化に着目して、水素ガス供給部の異常の有無を判定した。
【００９７】
（酸化剤ガス供給部に基づく診断）
第２に、酸化剤ガス供給部の運転条件を変化させることは、燃料電池５０２へ供給される燃料ガス中の空気の利用率、湿度等の変化を与えるので、回路定数としてＲｗ、Ｒｃ、Ｒｍの変化に着目することにより酸化剤ガス供給部の異常の有無を判定する。以下、説明を行う。
【００９８】
Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、ブロア５０３を制御して燃料電池５０２への空気供給量を増加する（例えばブロア５０３の出力、回転数を上昇させる）制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ５０〜Ｓ５３）。
【００９９】
燃料電池５０２への空気供給量を定格時から増やすと、通常はＲｗがやや小さくなる。これに対し、異常がある場合は、Ｒｗはこれとは異なる変化をとる。この異なる変化が、メモリ５０９ｂに記憶された、経験的に得られた酸化剤ガス供給部の所定箇所の異常と関連したものかどうかを判定する。
【０１００】
まず、Ｒｗが大幅に小さくなった場合には、定格時に燃料電池５０１を構成するセルのフラッディングが起こっていることが考えられるため、まずＲｗが大幅に小さくなったかどうかを判断する（Ｓ５４）。Ｒｗが大幅に小さくなったと判断された場合は、制御手段５１０は、診断手段５０９からこの結果を受けて、燃料電池５０２への空気供給量を元に戻す制御を行う（Ｓ５４ａ）。ここで再びＳ５０〜Ｓ５３の動作を繰り返して、Ｒｗを取得し、その値がＳ１３にて得られたレベルに達しているかどうかを判定する（Ｓ５４ｂ）。達している場合は、フラッディングの原因が、実際に燃料電池５０２へ供給されている空気供給量が、制御にて設定した値より低くなっているためであって、ブロア５０３の能力低下またはフィルター５０４のフィルター詰まりにあると想定され、これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ５４ｃ）。診断結果に基づき、ブロア５０３ｃの調整または交換、またはフィルター５０４の掃除または交換を行うと、対応が可能となる。
【０１０１】
一方、ＲｗがＳ１３にて得られたレベルまで達しなかった場合は、燃料電池５０２の燃料電池セルの濡れ性増大が想定され、これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ５４ｄ）。診断結果に基づき、燃料電池５０２のスタック交換を行うと、対応が可能となる。
【０１０２】
また、Ｓ５４にてＲｗが大幅に小さくなっていないと判断された場合は、次にＲｗが空気供給量を増加させる制御の前後で変わったかどうかを判定する（Ｓ５５）。変わっていないと判定された場合、定格時に燃料電池５０２の燃料電池セルが乾いてドライアップの状態にあると考えられ、その原因は、加湿器５０５の加湿能力低下が想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ５６）。診断結果に基づき、加湿器５０５またはポンプ５０２ｂの調整または交換により、対応が可能となる。
【０１０３】
さらにＳ５５にてＲｗが空気供給量を増加させる制御の前後で変わったと判定された場合は、次にＲｃが増大したかどうかが判定される（Ｓ５７）。Ｒｃが増大した場合、それは空気中のＮＯｘなどの不純物がセルに混入していることが考えられ、その原因として、フィルター５０４の不純物除去能力低下が想定される。これに基づき診断手段５０９はフィルター不良の判断を下す（Ｓ５８）。診断結果に基づき、フィルター５０４を掃除、交換する等の対応を行うことができる。
【０１０４】
一方、Ｒｃが大きくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としてのブロア５０３，加湿器５０５、ポンプ５０２ｂ、フィルター５０４に起因する異常はないと考えられるので、空気供給量を元に戻し（Ｓ５９）、次の特定箇所の動作条件を変化させて、診断を続ける。
【０１０５】
次に、図６（ｃ）に示すように、Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、ポンプ５０２ｂを制御して、加湿水量、すなわち加湿器５０５へ供給する水量を増加する制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ６０〜Ｓ６３）。
【０１０６】
加湿水量を定格時から上げても、通常はＲｍは変わらないが、これに対しＲｍが小さくなった場合には、定格時に燃料電池５０２の燃料電池セルが乾いてドライアップの状態にあると考えられる。この原因は、加湿器５０５の加湿能力低下が想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ６５）。診断結果に基づき、加湿器５０５またはポンプ５０２ｂの調整または交換により、対応が可能となる。
【０１０７】
一方、Ｒｍが小さくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としての加湿器５０５，ポンプ５０２ｂに起因する異常はないと考えられるので、加湿水量を元に戻す（Ｓ６６）。
【０１０８】
以上のように、Ｒｗ、Ｒｃ、Ｒｍの変化に着目して、酸化剤ガス供給部の異常の有無を判定した。
【０１０９】
（発電部に基づく診断）
第３に、発電部の運転条件を変化させることは、燃料電池５０２の温度、電流等の変化を与えるので、回路定数としてＲｗ、Ｒｍの変化に着目することにより発電部の異常の有無を判定する。以下、説明を行う。
【０１１０】
Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、ポンプ５０２ｄを制御して燃料電池５０２の冷却水量、すなわち水の供給量を増加する制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ７０〜Ｓ７３）。
【０１１１】
燃料電池５０２の燃料電池セルは、冷却水によって温度を制御している。燃料電池セル内の温度分布は、冷却水量に依存し、冷却水量が多いほど温度分布は小さくなる。冷却水量を定格時から増やすと、通常はＲｗがやや小さくなる。これに対し、Ｒｗが大幅に小さくなった場合には、定格時に燃料電池セルの温度分布が大きく、燃料電池５０１を構成するセルのフラッディングが起こっていることが考えられる。そこでＲｗが大幅に小さくなったかどうかを判定する（Ｓ７４）。Ｒｗが大幅に小さくなっていると判断された場合は、フラッディングが起こっていることになるが、この原因は、実際に燃料電池５０２へ供給されている冷却水量が、制御にて設定した値より低くなっているためであって、ポンプ５０２ｄの能力低下にあると想定され、これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ７５）。診断結果に基づき、ポンプ５０２ｄの調整または交換を行うことで対応が可能となる。
【０１１２】
一方、Ｒｗが大幅に小さくなっていない場合は、Ｒｍが小さくなっていないかどうかを判定する（Ｓ７６）。Ｒｍが小さくなっていると判断された場合は、定格時に燃料電池セルの温度分布が大きく、燃料電池セルの一部でドライアップが起こっていることが考えられるが、この原因は、実際に燃料電池５０２へ供給されている冷却水量が、制御にて設定した値より低くなっているためであって、ポンプ５０２ｄの能力低下にあると想定され、これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ７７）。診断結果に基づき、ポンプ５０２ｄの調整または交換を行うことで対応が可能となる。
【０１１３】
一方、Ｒｍが小さくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としてのポンプ５０２ｄに起因する異常はないと考えられるので、冷却水量を元に戻し（Ｓ７８）、次の特定箇所の動作条件を変化させて、診断を続ける。
【０１１４】
次に、図６（ｄ）に示すように、Ｓ２０〜Ｓ２３と同様にして、制御手段５１０は、交流電流源５０７を制御して、燃料電池５０２が出力する負荷電流を減少する制御を行い、これに基づき等価回路および本発明の診断インピーダンスとしての回路定数（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）を算出し、すでにメモリ５０９ｂに記憶した定格時回路係数と比較する（Ｓ８０〜Ｓ８３）。
【０１１５】
燃料電池５０２から取り出す負荷電流を定格時から下げると、通常はＲｗはやや小さくなる。これに対しＲｍが大幅に小さくなった場合には、定格時に燃料電池５０２の燃料電池セルがフラッディングの状態にあると考えられる。そこでＲｍが大幅に小さくなったかどうかを判定する（Ｓ８４）。Ｒｍが大幅に小さくなっていると判断された場合は、フラッディングが起こっていることになるが、この原因は、燃料電池セルの劣化による濡れ性の増大が想定される。これに基づき診断手段５０９は判断を下す（Ｓ８５）。診断結果に基づき、燃料電池５０２の調整または交換により、対応が可能となる。
【０１１６】
一方、Ｒｍが小さくなっていないと判定された場合は、少なくともこの診断によっては本発明の所定箇所としての燃料電池５０２に起因する異常はないと考えられるので、負荷電流を元に戻す（Ｓ８６）。
【０１１７】
以上のように、Ｒｗ、Ｒｍの変化に着目して、電源部の異常の有無を判定した。
【０１１８】
（燃料電池そのものの異常の診断）
以上、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部および電源部の各特定箇所の運転条件を変化させ、それに対応する燃料電池５０２の等価回路を構成する各回路係数としてのインピーダンス値の変化に基づき、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部および電源部の、所定箇所の以上の有無を診断する動作を説明したが、一方で、等価回路におけるインピーダンスの変化の原因として、上記特定箇所の変化の他に、燃料電池５０２自体の劣化がある。燃料電池５０２の劣化が、等価回路のインピーダンス（Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗ、Ｒｍ）全体に寄与した場合、測定によって得られたインピーダンス値の変化が、例えば特定箇所としての改質器の温度変化に起因するものとか、燃料電池５０２の劣化に基づくものかを切り分ける必要がある。
【０１１９】
本実施の形態においては、すでに述べたように、診断手段５０９において、特性プロフィール作成手段５０９ａが、インピーダンス演算手段５０８から入力したインピーダンス値と、制御手段５１０から得られた燃料電池発電システムの運転条件を示すパラメータとから、運転条件のパラメータ変化に対応したインピーダンスの変化を特性プロフィールとして作成し、メモリ５０９ｂに記憶している。
【０１２０】
本発明による故障診断方法は、運転条件のパラメータ変化がインピーダンス変化に及ぼす影響を予め把握しておき、運転条件を変化させた時にインピーダンスがどのように変化するかを観察することで故障箇所を特定するものである。
【０１２１】
運転条件とインピーダンスの関係は、典型的には図７（ａ）のような関係にある。すなわち、ある運転条件パラメータＸに対し、そのＸによってインピーダンスの成分Ｙが変化する。ここで運転条件パラメータＸとは、燃料電池を制御する物理量であり、例えば空気の供給量や冷却水の供給量等である。インピーダンスの成分Ｙとは、インピーダンスを等価回路で解析した回路定数のことであり、Ｘによって主に変化する回路定数をＹとする。例えば、Ｘを空気の供給量とした場合はＹはＲｗに相当する。
【０１２２】
通常、運転条件パラメータＸはＹをできるだけ小さくするように設定されるが、多くの場合Ｘを大きくするためにエネルギーが必要であり、むやみにＸを大きくすることは燃料電池システムの全体効率を考えた場合に不利になる。そこで、Ｙを小さくすることによる発電量の向上と、Ｘを小さくすることによるエネルギー消費量の向上を考慮して、システム全体として効率が向上するように適正運転範囲を決めている。多くの場合、インピーダンスＹと運転条件パラメータＸの関係は、図７（ａ）に示すように屈曲点を持ち、適正運転範囲はその屈曲点の近くに存在する。
【０１２３】
また運転条件パラメータＸに対するインピーダンスＹが、図７（ｂ）に示すように極小点を持つ場合もあり、この場合には適正運転範囲は、極小点の近辺に設定される。例えば、燃料電池への燃料供給量や燃料への添加水量がこれにあたる。
【０１２４】
一例として図６（ｂ）の、酸化剤ガス供給部を構成する特定箇所であるブロア５０３の運転条件を変化させた場合のインピーダンス値の変化を図７（ｃ）を用いて説明する。空気供給量に対するインピーダンス変化を特性プロフィール１で示す。適正流量Ｘ１で制御されている場合のインピーダンスのＲｗ成分をＷ１とする。空気を供給するブロアーが劣化して、Ｘ１に相当する制御を行っているにも関わらず、実際はＸ２に相当する空気流量しか供給されていなかった場合、インピーダンスはＷ２を示すはずである。この時に空気流量を上げる制御を行い、実際の空気流量がＸ２からＸ１に変化するとインピーダンスはＷ２からＷ１へと大幅に減少する。このようにインピーダンスＲｗが大幅に減少した場合には、ブロアー等の空気供給系に異常があったことが示唆される。
【０１２５】
一方、ブロアーの劣化が無かった場合には、燃料電池には適正な空気流量Ｘ１が供給されており、インピーダンスもＷ１のままである。この時に空気流量を増大させる制御を行い、実際の空気量がＸ１からＸ３と変化した場合には、インピーダンスはＷ１からＷ３と微減しかしないため、ブロアー等の空気供給系には異常が無かったことが分かる。
【０１２６】
故障診断においては、ブロアー等の燃料電池の周辺機器の故障だけでなく、燃料電池そのもの経時的に劣化するため、故障箇所の診断が難しい。本発明の故障診断方法では燃料電池そのものの劣化に起因する異常と周辺機器の故障に起因する異常を切り分けることができる。図７（ｃ）のインピーダンス変化に燃料電池の劣化が重なった例を図７（ｄ）で説明する。
【０１２７】
適正流量Ｘ１で制御されている場合の初期のインピーダンスをＷ１とする。燃料電池が劣化した場合のインピーダンス変化を特性プロフィール２で示す。適正流量Ｘ１で制御されている場合にはＷ４となる。空気を供給するブロアーが劣化して、Ｘ１に相当する制御を行っているにも関わらず、実際はＸ２に相当する空気流量しか供給されていなかった場合、インピーダンスはＷ５を示すはずである。この時に空気流量を上げる制御を行い、実際の空気流量がＸ２からＸ１に変化するとインピーダンスはＷ５からＷ４へと大幅に減少する。このようにインピーダンスＲｗが大幅に減少した場合には、ブロアー等の空気供給系に異常があったことが示唆される。
【０１２８】
一方、ブロアーの劣化が無かった場合には、燃料電池には適正な空気流量Ｘ１が供給されており、インピーダンスもＷ４のままである。この時に空気流量を増大させる制御を行い、実際の空気量がＸ１からＸ３と変化した場合には、インピーダンスはＷ４からＷ６と微減しかしないため、ブロアー等の空気供給系には異常が無かったことが分かる。
【０１２９】
このように燃料電池そのものの劣化の有無に関係無く、周辺機器の故障の有無を検知できる。
【０１３０】
以上のように、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池発電システムを構成する部分を水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、発電部に区分けし、各部の特定箇所の運転条件を変化させて、これらに対応した燃料電池のインピーダンスを、定格運転時のインピーダンスと比較することにより、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、発電部の所定箇所毎に、異常の有無を診断することができる。特に、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、発電部毎に専用のセンサ等を設けることがなく、低コストで全体の診断機能を備えたシステムの実現が可能となる。
【０１３１】
なお、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池５０２として１つの燃料電池セルからなるものを代表的に示しているが、複数の燃料電池セル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。
【０１３２】
また、上記の各診断は、図５においては診断手段５０９を用いて自動的に行ったものとしたが、インピーダンス演算手段５０８の演算結果であるインピーダンスを用いて、診断者が診断してもよい。また、インピーダンスの各コンポーネントの比較結果の値の利用は、演算値の大小比較、またはその差の大きさの比較により行っていたが、演算値の比の大小を利用するようにしてもよい。本発明の診断とはインピーダンスの比較結果を定量化した値の大きさに基づくものであればよく、定量化後の処理の手法によって限定されるものでない。
【０１３３】
また、上記の各診断は、燃料電池発電システムの故障個所を一つと想定する場合を例に挙げたが、複数の故障個所を想定するようにしてもよい。この場合でも、故障に対する対応を迅速に行うことができる。また、本発明の故障個所は、上記の説明に示したように、図５に示す各手段であってもよいし、水素生成装置５０１のように、改質器、触媒、バーナ等の複数の構成要素から成り立っている場合は、それら構成要素のいずれか一つまたは複数であるかまで特定できるとしてもよいことは言うまでもない。
【０１３４】
また、上記の各診断は、図６（ａ）〜６（ｄ）に示すような一連のフローチャートとして示したが、図８に順不同のテーブルとして示すことができる。各項目毎にもれなく診断できるのであれば、各操作は、上記のフローチャートに従わず、順不同に行ってもよい。また、水素ガス供給部、酸化剤ガス供給部、発電部のいずれかについての診断を行いたい場合は、対応する部分の操作だけ行うようにしてもよい。
【０１３５】
次に本発明の実施例を具体的に説明する。
【０１３６】
（実施例１）
始めに、燃料電池５０２の作製について説明する。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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１ｃｍ²当り０．３ｍｇになるように調整した。
【０１４０】
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１ｃｍ²当り０．３ｍｇになるように調整した。
【０１４１】
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。
電層が内側になるように挟んでＭＥＡとした。
【０１４２】
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。
【０１４３】
以上のように作製した燃料電池セルを燃料電池５０２に用いて、図５の構成の燃料電池発電システムを作製した。尚、水素生成装置５０１としては、特開２００３−２５２６０４記載の方法に従って作製した。水素生成装置の断面図を図１２に示す。図１２に示すように、本実施の形態の水素生成装置５０１は、燃焼ガスを発生するバーナ１６と、このバーナ１６の上方に設けられた円筒状の燃焼室１７とを備えている。この燃焼室１７の外周側には、筒状の改質器１０が燃焼室１７と同軸上に設けられている。改質器１０は、水蒸気改質触媒が充填されている触媒層を収容しており、その触媒層内で原料ガスを水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する。
【０１４４】
なお、水素生成装置５０１の外側には、燃料電池５０２が設けられており、これら水素生成装置５０１および燃料電池５０２により本発明の燃料電池システムが構成されている。改質器１０において生成された改質ガスは改質ガス排出口２７から排出されて燃料電池５０２に供給される。
【０１４５】
また、改質器１０の外周側には該改質器１０において生成された改質ガスを改質ガス排出口２７へ導くための筒状の改質ガス流路１１が、改質ガス流路１１の外周側にはバーナ１６において発生した燃焼ガスが流れる筒状の燃焼ガス流路１２が、それぞれ燃焼室１７と同軸上に設けられている。燃焼ガス流路１２は、筒状の断熱材１３および筒体１４によって区画された流路からなり、燃焼ガス排出口１５に向けて燃焼ガスを導くように構成されている。
【０１４６】
更に、燃焼ガス流路１２の外周側であって、水素生成装置５０１の最外周には、筒状の蒸発室２８が燃焼室１７と同軸上に設けられている。この蒸発室２８は、筒状の第１蒸発室１８および該第１蒸発室１８と筒状の隔壁２１を隔てて設けられた第２蒸発室２２から構成されている。ここで、第２蒸発室２２は燃焼ガス流路１２側に位置し、第１蒸発室１８は隔壁２１を介して第２蒸発室２２の外周側、すなわち水素生成装置５０１の最外周に位置している。第１蒸発室１８の上方部には、少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料Ｘを装置内に供給するための原料入り口１９および水Ｙを同じく供給するための水入り口２０が形成されている。なお、少なくとも炭素および水素から構成される化合物としては、例えばメタン、エタン、プロパンなどの炭化水素、都市ガス、天然ガス、メタノールなどのアルコール、灯油、およびＬＰＧ（液化石油ガス）などが挙げられる。なお、図５では都市ガスとしている。また、第２蒸発室２２の上方部には、蒸発室２８において発生した水蒸気の出口である水蒸気出口２４が設けられている。この水蒸気出口２４は水蒸気供給パイプ２５を介して改質器１０と接続されている。したがって、水蒸気出口２４から排出される水蒸気は、水蒸気供給パイプ２５を介して改質器１０へ供給されることになる。
【０１４７】
またフィルター５０４は、長瀬産業製ＭＣハニカムとＨＥＰＡフィルターで構成し、空気中の塵およびＮＯｘ、ＳＯｘを除去するものである。
【０１４８】
燃料極側には、都市ガスに水を添加して水素生成装置５０１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６５℃）を供給し、酸素極側には露点が７０℃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／ｃｍ²で発電を行った。
【０１４９】
冷却水を燃料電池セルの入口側で７０℃、出口側で７２℃〜７５℃になるように調整した。
【０１５０】
燃料電池セルの電圧は０．７５Ｖだった。
【０１５１】
図９にセル電圧の経時変化を示す。セル電圧は時間と共に徐々に低下し、運転を開始してから５０００時間経過後にセル電圧は０．７０Ｖ以下に低下した。
【０１５２】
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。
【０１５３】
インピーダンス演算手段５０８は周波数応答アナライザー（ＳＯＬＡＲＴＲＯＮ社製 ＳＩ１２５０）と電子負荷（ＳＣＲＩＢＮＥＲ社製 Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ ＳＥＲＩＥＳ８９０Ｂ）の組み合わせで構成した。
【０１５４】
負荷電流は、２００ｍＡ／ｃｍ²の直流に±１０ｍＡ／ｃｍ²の正弦波を重畳した電流とした。
【０１５５】
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＋Ｒａ、１０Ｈｚの実数成分をＲｍ＋Ｒａ＋Ｒｃ、０．１Ｈｚの実数成分をＲｍ＋Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｗとして、定格時のＲｍ、Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｗをそれぞれ算出した。
【０１５６】
図１０に示すように運転条件を変化させて同様にインピーダンスを測定した。図１０に運転条件変更前後の抵抗値と判定を示す。これにより、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、フィルター５０４を点検すると詰まっていることが分かったため、フィルター５０４の交換を行った。
【０１５７】
またバーナー１６の不良による転嫁率低下が起こっていることが分かり、バーナー１６のクリーニングを行った。
【０１５８】
その後、定格条件にて再度発電を再開したところ、セル電圧は０．７３Ｖに回復した。
【０１５９】
さらに発電を継続したところ、燃料電池５０２のセル電圧は時間と共に徐々に低下し、合計運転時間が１００００時間経過後にセル電圧は０．６８Ｖ以下に低下した。図７にセル電圧の経時変化を示す。
【０１６０】
再度、定格条件および運転条件を変化させた時のインピーダンスを測定した。図１１に運転条件変更前後の抵抗値と判定を示す。これにより、加湿器５０５の不良と、改質器の触媒劣化が起こっていることが分かり、加湿器５０５と改質器１０の交換を行った。その後、定格条件にて再度発電を再開したところ、セル電圧は０．７３Ｖに回復した。
【０１６１】
（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を作製した。
【０１６２】
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。
【０１６３】
冷却水ポンプ５０２ｄの能力を７０％に低下させると、セル電圧は０．７２Ｖに低下した。
力を１００％に戻して再度インピーダンスを測って比較したところ、冷却水量を増大した後にはＲｗが５．３ｍΩから２．５ｍΩに大幅減少しており、定格時の冷却水ポンプ５０２ｄの能力不足が確認できた。
【０１６４】
（比較例）
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。
【０１６５】
実施例１と同様に運転を行い、途中のインピーダンス演算や修理を行わないで発電を継続したところ、図９に示すように燃料電池５０２の発電電圧は低下し、発電開始から７０００時間を経過すると急激に電圧が低下して発電不可能となった。
【０１６６】
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故障箇所を特定することができ、これにより迅速な修理を行うことで、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。
【０１６７】
なお、本発明にかかるプログラムは、上述した本発明の燃料電池システムの故障診断装置の全部または一部の手段の機能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ってもよい。
【０１６８】
また、本発明は、上述した本発明の燃料電池システムの故障診断装置の全部または一部の手段の全部または一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する媒体であってもよい。
【０１６９】
なお、本発明の上記「一部の手段」とは、それらの複数の手段の内の、幾つかの手段を意味し、あるいは、一つの手段の、一部の機能または一部の動作を意味するものである。
【０１７０】
また、本発明の一部の装置とは、それらの複数の装置の内の、幾つかの装置を意味し、あるいは、一つの装置の内の、一部の手段を意味し、あるいは、一つの手段の内の、一部の機能を意味するものである。
【０１７１】
また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。
【０１７２】
また、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取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態様であっても良い。
【０１７３】
また、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、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【０１７４】
また、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機構、光・電波・音波等が含まれる。
【０１７５】
また、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。
【０１７６】
なお、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。
【産業上の利用可能性】
【０１７７】
本発明にかかる燃料電池システムの故障診断方法、故障診断装置は、燃料電池の発電異常の原因を迅速に特定でき、修理を効率良く行うことができ、有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態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説明図
【図２】本発明の実施の形態のセルのインピーダンスを表す等価回路の説明図
【図３】本発明の実施の形態における交流電流の振幅に対するＳ／Ｎ比を示した図
【図４（ａ）】本発明の実施の形態のインピーダンスと周波数との関係を表す説明図 【図４（ｂ）】本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図
【図４（ｃ）】本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図
【図４（ｄ）】本発明の実施の形態のインピーダンスの等価回路の説明図
【図５（ａ）】本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成図
【図５（ｂ）】本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成図
【図６（ａ）】本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図
【図６（ｂ）】本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図
【図６（ｃ）】本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図
【図６（ｄ）】本発明の実施の形態の診断方法を説明するためのフローチャートを示す図
【図７（ａ）】本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図
【図７（ｂ）】本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図
【図７（ｃ）】本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図
【図７（ｄ）】本発明の実施の形態における特性プロフィールを用いた異常箇所の切り分けを説明するための図
【図８】 本発明の実施の形態の診断箇所を説明するためのチャートを示す図
【図９】本発明の実施例１および比較例におけるセル電圧の経時変化を示した図
【図１０】本発明の実施例１における５０００時間後の診断結果を示すチャートを示す図
【図１１】本発明の実施例１における１００００時間後の診断結果を示すチャートを示す図
【図１２】本発明の実施の形態の水素生成装置の断面を示す構成図
【符号の説明】
【０１７８】
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
７１ 実施例１のセル電圧
７２ 比較例のセル電圧

Claims (19)

1. ある運転条件下で燃料電池システムから発生する直流電流に、交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分のインピーダンスを演算する工程を備え、
   前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したときのインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する、燃料電池システムの故障診断方法。
2. 前記決定は、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムの有する燃料電池そのものにあるか、前記燃料電池以外の前記所定箇所にあるかを切り分けるものである、請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムの故障診断方法。
3. 前記決定は、
   前記基準運転条件下における、前記燃料電池システムの各所定箇所の運転条件と前記燃料電池の各所定部分のインピーダンスとの対応関係を特性プロフィールとして用い、
   前記ある運転条件として、前記所定箇所の運転条件を前記基準運転条件下におけるものより大きく変化させ、その変化に応じて測定した診断インピーダンスを、前記特性プロフィールのインピーダンスと比較し、
   前記診断インピーダンスの、前記特性プロフィールのインピーダンスからの変化が、前記特性プロフィールに基づき判断できる場合は、その原因がその所定箇所にあるものと判断し、判断できない場合は、その所定箇所にないと判断する
   ことにより行う、請求の範囲第１または第２項に記載の燃料電池システムの故障診断方法。
4. 前記燃料電池システムは、
   前記燃料電池を有する発電部と、
   前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備え、
   前記所定箇所は、
   前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを含むものであり、
   これら特定箇所の運転条件を変化させることにより、前記決定を行う、請求の範囲第３項に記載の燃料電池システムの故障診断方法。
5. 前記水素ガス供給部の前記特定箇所は、
   前記改質器に改質用の水を供給するための第１のポンプ、前記改質器に原料を供給するためのブースター、および前記改質器を加熱するためのバーナーであり、
   前記所定箇所として、前記改質器を含んでいる、請求の範囲第４項に記載の燃料電池システムの故障診断方法。
6. 前記酸化剤ガス供給部の前記特定箇所は、
   外気を取り入れて前記燃料電池側へ導くためのブロア、前記ブロアが取り入れた前記外気を加湿する加湿器、および前記加湿器に水を供給するための第２のポンプであり、
   前記所定箇所として、前記ブロアの前段に設けられたフィルタを含んでいる、請求の範囲第４項に記載の燃料電池システムの故障診断方法。
7. 前記発電部の前記特定箇所は、
   前記燃料電池および前記燃料電池へ冷却水を供給するための第３のポンプであり、
   前記所定箇所として、前記燃料電池を含んでいる、請求の範囲第４項に記載の燃料電池システムの故障診断方法。
8. 前記燃料電池の前記所定部分は、
   前記燃料電池を、前記所定部分を抵抗として有する等価回路と見なし、周波数の異なる前記交流電流毎に前記インピーダンスを演算することにより決定する、請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムの故障診断方法。
9. 前記交流電流の振幅は、前記直流電流値の実質上５％〜１０％の大きさである、請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムの故障診断方法。
10. 燃料電池システムの燃料電池から発生する直流電流に重畳する、周波数可変の交流電流を供給する交流電流源と、
    前記直流電流に前記交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分に対応するインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
    前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する診断手段とを備えた、燃料電池システムの故障診断装置。
11. 前記診断手段は、
    前記基準運転条件下における、前記燃料電池システムの各所定箇所の運転条件と前記燃料電池の各所定部分のインピーダンスとの対応関係を特性プロフィールとして用い、
    前記ある運転条件として、前記所定箇所の運転条件を前記基準運転条件下におけるものより大きく変化させ、その変化に応じて測定した診断インピーダンスを、前記特性プロフィールのインピーダンスと比較し、
    前記診断インピーダンスの、前記特性プロフィールのインピーダンスからの変化が、前記特性プロフィールに基づき判断できる場合は、その原因がその所定箇所にあるものと判断し、判断できない場合は、その所定箇所にないと判断する
    ことにより行う、請求の範囲第１０項に記載の燃料電池システムの故障診断装置。
12. 請求の範囲第１０または第１１項に記載の燃料電池システムの故障診断装置を有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池を有する発電部と、
    前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
    前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備え、
    前記所定箇所は、
    前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを含むものであり、
    これら特定箇所の運転条件を変化させることにより、前記診断手段は前記決定を行う、燃料電池システム。
13. 前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の運転条件を変化させる制御手段をさらに備え、
    前記診断手段は、前記制御手段から前記運転条件の変化のパラメータを取得して、前記決定を行う、請求の範囲第１２項に記載の燃料電池システム。
14. 前記水素ガス供給部の前記特定箇所は、
    前記改質器に改質用の水を供給するための第１のポンプ、前記改質器に原料を供給するためのブースター、および前記改質器を加熱するためのバーナーであり、
    前記所定箇所として、前記改質器を含んでいる、請求の範囲第１２項に記載の燃料電池システム。
15. 前記酸化剤ガス供給部の前記特定箇所は、
    外気を取り入れて前記燃料電池側へ導くためのブロア、前記ブロアが取り入れた前記外気を加湿する加湿器、および前記加湿器に水を供給するための第２のポンプであり、
    前記所定箇所として、前記ブロアの前段に設けられたフィルタを含んでいる、請求の範囲第１２項に記載の燃料電池システム。
16. 前記発電部の前記特定箇所は、
    前記燃料電池および前記燃料電池へ冷却水を供給するための第３のポンプであり、
    前記所定箇所として、前記燃料電池を含んでいる、請求の範囲第１２項に記載の燃料電池システム。
17. 請求の範囲第１０項または第１１項に記載の前記直流電流に前記交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の所定部分に対応するインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
    前記インピーダンスを、予め定めた基準運転条件下で演算したインピーダンスと比較することにより、前記燃料電池の所定部分に異常がある場合に、前記比較結果を用いて、前記所定部分の異常の原因が、前記燃料電池システムを構成する一つまたは複数の所定箇所のいずれであるかを決定する診断手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
18. 請求の範囲第１７項に記載のプログラムを記録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。
19. 燃料電池を有する発電部と、前記発電部に前記燃料電池を発電するための酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記発電部に前記燃料電池を発電するための水素ガスを供給する水素ガス供給部とを備えた燃料電池システムに対し、請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムの故障診断方法に用いる前記所定箇所を特定する燃料電池システムの診断箇所特定方法であって、
    燃料電池システムから発生する直流電流に、交流電流を重畳して得られた信号から、前記燃料電池システムの燃料電池の複数の所定部分のインピーダンスを演算する工程と、
    前記水素ガス供給部内の特定箇所、前記酸化剤ガス供給部内の特定箇所、および前記発電部内の特定箇所の少なくとも一つを運転箇所として特定する工程と、
    前記運転箇所を、その運転条件を変化させて前記燃料電池システムを動作させ、そのときに、前記燃料電池の複数の所定部分のいずれの前記インピーダンスが変化するかを観測することにより、前記運転箇所を、前記所定箇所として特定する、燃料電池システムの診断箇所特定方法。

Images