KR20050012151A - 연료전지시스템, 연료전지운전방법, 프로그램 및 기록매체 - Google Patents

연료전지시스템, 연료전지운전방법, 프로그램 및 기록매체 Download PDF

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KR20050012151A
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데라니시마사토시
나카가와다카시
우치다마코토
세가와데루쓰구
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

산소를 포함하는 산화제가 캐소드에 공급되어, 수소를 포함하는 연료가스가 애노드에 공급되어 발전하는 연료전지의 발전이상의 원인에 따른 신뢰성이 높은 대처가 충분히 행하여지고 있지 않았다.
발전을 위해 운전이 행하여지는 연료전지셀(501)에 대한 부하전류를 변동시키는 부하(502), 교류신호발생부(503)를 포함하는 수단과, 부하전류의 변동에 대한 전압응답에 관한 측정을 하는 전압측정부(504)와, 전압응답에 관한 측정의 결과에 따라서, 연료전지셀(501)의 임피던스에 관한 계산을 하는 임피던스계측부(505)와, 임피던스에 관한 계산의 결과를 이용하여, 연료전지셀(501)의 운전의 조건을 변화시키는 연료전지제어부(506)를 구비한 연료전지발전시스템이다.

Description

연료전지시스템, 연료전지운전방법, 프로그램 및 기록매체{FUEL CELL SYSTEM, METHOD OF DRIVING FUEL CELL, PROGRAM AND RECORDING MEDIUM OF THE SAME}
본 발명은, 예를 들면 고분자전해질형의 연료전지의 발전이상(異常)의 발생등을 억제하기 위한 연료전지시스템, 연료전지운전방법, 프로그램 및 기록매체에 관한 것이다.
연료전지는, 산소를 포함하는 산화제가 캐소드에 공급되고, 수소를 포함하는 연료가스가 애노드에 공급되어 발전하는 것으로, 한 쌍의 캐소드와 애노드로 이루어지는 연료전지셀, 또는 연료전지셀이 여러 개 직렬로 접속된 연료전지스택으로 구성된다.
일반적으로는 연료전지셀의 전압을 모니터함으로써 연료전지의 발전이상을 검지하고 있지만, 이 방법에 의해서 발전이상의 원인까지 판정하는 것은 곤란하다.
보다 구체적으로 말하면, 연료전지셀의 전압저하의 원인이, 가스확산이 저해되어 확산저항이 증대한 것에 있는 것인지, 전극의 반응성이 저하하여 반응저항이 증대한 것에 있는 것인지 판정할 수 없다.
이러한 발전이상의 원인을 판정하기 위한 기술로서, 특정주파수에 대해서 정상적인 상태에 있어서의 교류임피던스를 미리 측정해 두고, 그 특정주파수의 교류를 발전중에도 전압을 가하여 발전상태에 있어서의 임피던스를 측정하여, 정상적인 상태에 있어서의 교류임피던스와 발전상태에 있어서의 임피던스를 비교하는 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
여기에, 상기 특허문헌의 모든 개시는, 모조리 그대로 여기에 인용(참조)함에 의해, 일체화된다.
보다 구체적으로는, 종래의 연료전지발전시스템(1)의 블록도인 도 24에 나타내는 바와 같이, 복수의 스택(연료전지스택, PEFC스택이라고도 한다)(21, 22, …, 2n)에 각각 임피던스측정장치(71, 72, …, 7n)를 설치하여, 임피던스측정장치(71, 72, …, 7n)에서 발생하는 교류전압을 복수의 스택(21, 22, …, 2n)에 전압을 가하여, 임피던스를 측정한다.
교류전압은, 적어도 5Hz와 40Hz의 주파수로 인가하여, 각각의 주파수에 있어서의 임피던스로부터 확산저항과 반응저항을 구한다.
[특허문헌 1]
일본 특허공개 2002-367650호 공보
그런데, 연료전지의 임피던스로부터 이상을 판정하고자 하면, 우선 임피던스를 정밀하게 측정해야 한다.
그러나 상술한 종래의 연료전지발전시스템(1)으로서는, 측정대상인 스택(21, 22, …, 2n)에 대하여 병렬로 부하회로인 인버터(6)가 접속되어 있기 때문에, 인버터(6)의 임피던스를 빼지 않으면, 스택(21, 22, …, 2n)마다의 임피던스를 측정할 수 없다.
인버터(6)는 통상 스위칭동작을 하고 있고, 그 부하임피던스는 시시각각 변화하고 있다.
이 때문에, 인버터(6)의 임피던스를 빼서 스택(21, 22, …, 2n)마다의 임피던스를 정밀하게 구하는 것은 곤란하다.
또, 연료전지를 최적의 상태에서 운전하고자 하면, 셀(연료전지셀, PEFC셀이라고도 한다)(31, 32, …, 3m)마다의 발전상태를 파악하는 것이 필요하게 된다.
그러나 상술한 종래의 연료전지발전시스템(1)에서는, 스택전체의 임피던스를 측정할 수 있지만, 거기에서 셀(31, 32, …, 3m)마다의 정보를 추측하는 것은 곤란하다.
혹시 가령, 셀(31, 32, …, 3m)의 임피던스가 동일하면, 스택전체의 임피던스로부터 셀(31, 32, …, 3m)마다의 임피던스를 산출할 수 있다. 그러나, 실제로는, 스택(21, 22, …, 2n)을 구성하는 각 셀은 각각 다른 상태에 있고, 임피던스도 셀(31, 32, …, 3m)마다 다르다. 이 때문에, 스택전체의 임피던스는 셀(31, 32, …, 3m)의 임피던스가 합성된 것으로 되어, 그 값으로부터 셀(31, 32, …, 3m)의 임피던스를 이끌어 내는 것은 거의 불가능하다.
스택(21, 22, …, 2n)의 발전전압이 열화해 온 것과 같은 이상시에는, 그 중의 셀(31, 32, …, 3m)의 일부가 우선 이상을 나타낸다.
이 때문에, 열화의 초기에 이상을 검지하여 적당한 제어를 걸기 위해서는, 셀(31, 32, …, 3m)마다의 정보를 파악하는 것이 바람직하다고 본 발명자는 생각하고 있다.
요컨대, 이상이 나타난 셀(31, 32, …, 3m)의 위치를 특정하는 것이 이상의 원인에 관한 지견을 얻기 위해서 중요하고, 스택(21, 22, …, 2n)의 임피던스를 측정하는 것만으로는, 이상에 대한 충분한 대응을 할 수 없다.
셀(31, 32, …, 3m)마다 임피던스측정장치를 설치함으로써, 셀(31, 32, …,3m) 마다의 정보를 파악하는 것은 물론 가능하게 된다. 그러나, 임피던스측정장치가 셀(31, 32, …, 3m)의 수만 필요하게 되어, 비용의 대폭적인 증대가 되기 때문에, 이것은 현실적이지 않다.
결국, 연료전지의 발전이상의 원인에 따른 신뢰성이 높은 대처가 충분히 행하여지고 있지 않다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은, 상기 종래의 이와 같은 과제를 고려하여, 연료전지의 발전이상의 원인에 따른 것에 의해 신뢰성이 높은 대처를 할 수 있는 연료전지시스템, 연료전지운전방법, 프로그램 및 기록매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1의 연료전지발전시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1의 주파수를 스위프시켜 측정한 임피던스를 플롯한 설명도.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1의 셀의 임피던스를 나타내는 등가회로의 설명도.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의, 교류전류진폭의 직류전류에 대한 비와 S/N비와의 관계를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 1의 콜-콜플롯(Cole-Cole plot, 복소평면표시도)의 설명도.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 1의 공기의 이용률을 바꿔 측정한 경우의 등가회로의 컴포넌트의 쌍을 플롯한 설명도.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트 (제 1).
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트(제 2).
도 9는 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트 (제 3).
도 10은 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어에 있어서의 (C3, R3)의 에어리어를 나타내기 위한 설명도.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어에 있어서의 (C2, R2)의 에어리어를 나타내기 위한 설명도.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어에 있어서의 (C1, R1)의 에어리어를 나타내기 위한 설명도.
도 13은 본 발명의 실시의 형태 2의 연료전지발전시스템의 구성도.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 3의 연료전지발전시스템의 구성도.
도 15는 본 발명의 실시의 형태 4의 연료전지발전시스템의 구성도.
도 16은 본 발명의 실시의 형태 4의 셀내장의 자동접속장치(44)의 구성도.
도 17은 본 발명의 실시의 형태 4의 셀의 임피던스를 나타내는 등가회로의 설명도.
도 18은 본 발명의 실시의 형태 4의 콜-콜플롯의 설명도.
도 19는 본 발명의 실시의 형태 4의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트 (제 1).
도 20은 본 발명의 실시의 형태 4의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트(제 2).
도 21은 본 발명의 실시의 형태 4의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트 (제 3).
도 22는 본 발명의 실시예 1 및 비교예에 있어서의 셀전압의 시간경과변화를 나타낸 도면.
도 23은 본 발명의 실시예 2∼6에 있어서의 셀전압의 시간경과변화를 나타낸 도면.
도 24는 종래의 연료전지발전시스템(1)의 블록도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 연료전지발전시스템 21, 22, …, 2n : 스택
31, 32, …, 3m : 셀 4, 5 : 배선
51 : 주파수전환기 6 : 인버터
71, 72, …7n : 임피던스측정장치 8 : 컴퓨터
41 : 캐소드측 세퍼레이터 42 : 애노드측 세퍼레이터
43 : MEA 44 : 자동접속장치
45 : 접속장치제어선 46 : 전압측정선
47 : 전류선 501 : 연료전지셀
502 : 부하 503 : 교류신호발생부
504 : 전압측정부 505 : 임피던스계측부
506 : 연료전지제어부 601 : 연료전지셀
602 : 부하 603 : 부하제어부
604 : 전압측정부 605 : 풀리에변환부
606 : 임피던스계측부 607 : 연료전지제어부
701 : 연료전지셀 702 : 연료전지스택
703 : 부하 704 : 부하제어부
705 : 전압측정부 706 : 풀리에변환부
707 : 임피던스계측부 708 : 연료전지제어부
801 : 연료전지셀 802 : 연료전지스택
803 : 인버터 804 : 접속장치제어부
805 : 연료전지제어부 806 : 임피던스계측부
807 : 전자부하부 808 : 교류신호발생부
809 : 전압측정부 901 : (C3, R3)의 초기값
1001 : (C2, R2)의 초기값 1101 : (C1, R1)의 초기값
151 : 실시예 1의 셀전압 152 : 비교예의 셀전압
161 : 실시예 2의 셀전압 162 : 실시예 3의 셀전압
163 : 실시예 4의 셀전압 164 : 실시예 5의 셀전압
165 : 실시예 6의 셀전압
제 1 의 본 발명은, 발전을 위해 운전이 행하여지는 연료전지에 대한 부하전류를 변동시키는 부하전류 변동수단과,
상기 부하전류의 변동에 대한 전압응답에 관한 측정을 하는 측정수단과,
상기 전압응답에 관한 측정의 결과에 따라서, 상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산을 하는 계산수단과,
상기 임피던스에 관한 계산의 결과를 이용하여, 상기 연료전지의 운전의 조건을 변화시키는 연료전지제어수단을 구비한 연료전지시스템이다.
제 2 의 본 발명은, 상기 연료전지의 셀을, 직렬로 접속된, (1)저항값 Rs의 저항과, (2)상기 셀의 애노드의 반응임피던스에 해당하는, 병렬로 접속된 용량값 C1의 콘덴서 및 저항값 R1의 저항과, (3)상기 셀의 캐소드의 반응임피던스에 해당하는, 병렬로 접속된 용량값 C2의 콘덴서 및 저항값 R2의 저항과, (4)상기 셀의 캐소드의 확산임피던스에 해당하는, 병렬로 접속된 용량값 C3의 콘덴서 및 저항값 R3의 저항을 갖는 등가회로로 나타낸 경우,
상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산이란, 상기 용량값 C1, 상기 저항값 R1, 상기 용량값 C2, 상기 저항값 R2, 상기 용량값 C3및 상기 저항값 R3의 계산인 제 1 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 3 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1과 상기 저항값 R1의 쌍(C1, R1)이, 상기 용량값 C1에 관한 가로축과 상기 저항값 R1에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수(定數) a1 (L), 정수(定數) b1 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 1]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 에어블리드(air bleed)량이 늘어나도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 4 의 본 발명은, 상기 에어블리드량이 늘어나더라도, 상기 쌍(C1, R1)이 상기 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생하여, 상기 연료전지의 운전이 정지되는 제 3 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 5 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1과 상기 저항값 R1의 쌍(C1, R1)이, 상기 용량값 C1에 관한 가로축과 상기 저항값 R1에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 a1 (U), 정수 b1 (U)에 의해서 정의되는 영역
[수식 2]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 에어블리드량이 줄어들도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 6 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1과 상기 저항값 R1의 쌍(C1, R1)이, 상기 용량값 C1에 관한 가로축과 상기 저항값 R1에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c1 (L), 정수 d1 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 3]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 연료가스이용률이 늘어나도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 7 의 본 발명은, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 c1 (L), 상기 정수 d1 (L)에 덧붙여, 정수 a1 (L), 정수 b1 (L), 정수 a1 (U), 정수 b1 (U)에 의해서 정의되는 영역
[수식 4]
인 제 6 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 8 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1과 상기 저항값 R1의 쌍(C1, R1)이, 상기 용량값 C1에 관한 가로축과 상기 저항값 R1에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, c1 (U), 정수 d1 (U)에 의해서 정의되는 영역
[수식 5]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 연료가스 이용률이 줄어들도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 9 의 본 발명은, 상기 소정의 영역이란, 상기 c1 (U), 정수 d1 (U)에 덧붙여, 정수 a1 (L), 정수 b1 (L), 정수 a1 (U), 정수 b1 (U)에 의해서 정의되는 영역
[수식 6]
인 제 8 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 10 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C2과 상기 저항값 R2의 쌍(C2, R2)이, 상기 용량값 C2에 관한 가로축과 상기 저항값 R2에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, a2 (L), 정수 b2 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 7]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 있어서의 캐소드전극촉매에 관한 소정의 리커버리(Recovery)가 행하여지도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 11 의 본 발명은, 상기 소정의 리커버리가 행하여지고 나서 소정의 시간이 지났을 때에도, 상기 쌍(C2, R2)이 상기 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생하여, 상기 연료전지의 운전이 정지되는 제 10 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 12 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C2와 상기 저항값 R2의 쌍(C2, R2)이, 상기 용량값 C2에 관한 가로축과 상기 저항값 R2에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c2 (L), 정수 d2 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 8]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 가습량이 줄어들도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 13 의 본 발명은, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 c2 (L), 정수 d2 (L)에 덧붙여, 정수 a2 (L), 정수 b2 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 9]
인 제 12 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 14 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C2와 상기 저항값 R2의 쌍(C2, R2)이, 상기 용량값 C2에 관한 가로축과 상기 저항값 R2에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c2 (U), 정수 d2 (U)에 의해서 정의되는 영역
[수식 10]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 가습량이 늘어나도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 15 의 본 발명은, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 c2 (U), 정수 d2 (U)에 덧붙여, 정수 a2 (L), 정수 b2 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 11]
인 제 14 의 본 발명은, 연료전지시스템이다.
제 16 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C3과 상기 저항값 R3의 쌍(C3, R3)이, 상기 용량값 C3에 관한 가로축과 상기 저항값 R3에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 a3 (L), 정수 b3 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 12]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 줄어들도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 17 의 본 발명은, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 a3 (L), 정수 b3 (L)에 덧붙여, 정수 c3 (L), 정수 d3 (L), 정수 c3 (U), 정수 d3 (U)에 의해서 정의되는 영역
[수식 13]
인 제 16 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 18 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C3과 상기 저항값 R3의 쌍(C3, R3)이, 상기 용량값 C3에 관한 가로축과 상기 저항값 R3에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 a3 (U), 정수 b3 (U)에 의해서 정의되는 영역
[수식 14]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 늘어나도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 19 의 본 발명은, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 a3 (U), 정수 b3 (U)에 덧붙여, 정수 c3 (L), 정수 d3 (L), 정수 c3 (U), 정수 d3 (U)에 의해서 정의되는 영역
[수식 15]
인 제 18 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 20 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C3과 상기 저항값 R3의 쌍(C3, R3)이, 상기 용량값 C3에 관한 가로축과 상기 저항값 R3에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c3 (L), 정수 d3 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 16]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 산화제가스이용률이 늘어나도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 21 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C3과 상기 저항값 R3의 쌍(C3, R3)이, 상기 용량값 C3에 관한 가로축과 상기 저항값 R3에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c3 (L), 정수 d3 (L)에 의해서 정의되는 영역
[수식 17]
에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 산화제가스이용률이 줄어들도록 변화시켜지는 제 2 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 22 의 본 발명은, 상기 산화제가스이용률이 소정의 회수를 초과하여 줄어든 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생시켜져서, 상기 연료전지의 운전이 상기 산화제가스이용률이 줄어든 채로 계속되는 제 21 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 23 의 본 발명은, 상기 연료전지의 셀을, 직렬로 접속된, (1)병렬로 접속된, 애노드의 전기 2중층 용량에 해당하는 용량값 C1'의 콘덴서 및 애노드의 반응저항에 해당하는 저항값 R1'의 저항과, (2)병렬로 접속된, (2a)캐소드의 전기 2중층용량에 해당하는 용량값 C2'의 콘덴서, 및 (2b)직렬로 접속된, 캐소드의 반응저항에 해당하는 저항값 R2'의 저항, 및 캐소드의 확산저항에 해당하는 저항값 W2R'을 갖는 월블루그저항과, (3)고분자막의 저항에 해당하는 저항값 R3의 저항을 갖는 등가회로로 나타낸 경우,
상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산이란, 상기 용량값 C1', 상기 저항값 R1', 상기 용량값 C2', 상기 저항값 R2', 상기 저항값 W2R', 및 상기 저항값 R3'의 계산인 제 1 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 24 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1'가, 소정의 하한 용량값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 에어블리드량이 늘어나도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 25 의 본 발명은, 상기 에어블리드량이 늘어나더라도, 상기 용량값 C1'이 상기 소정의 하한 용량값을 밑돌고 있는 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생되어, 상기 연료전지의 운전이 정지되는 제 24 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 26 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1'이, 소정의 상한 용량값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 에어블리드량이 줄어들도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 27 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R1'이, 소정의 하한 저항값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 연료가스이용률이 늘어나도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 28 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R1'이, 소정의 상한 저항값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 연료가스이용률이 줄어들도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 29 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C2'가, 소정의 하한용량값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 있어서의 캐소드전극촉매에 관한 소정의 리커버리가 행하여지도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 30 의 본 발명은, 상기 소정의 리커버리가 행하여지고 나서 소정의 시간이 지났을 때에도, 상기 용량값 C2'가, 상기 소정의 하한용량값을 밑돌고 있는 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생되어, 상기 연료전지의 운전이 정지되는 제 29 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 31 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R2'가, 소정의 하한저항값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 가습량이 줄어들도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 32 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R2'가,소정의 상한 저항값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 가습량이 늘어나도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 33 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 W2R'이, 소정의 하한 저항값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 산화제가스이용률이 늘어나도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 34 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 W2R'이, 소정의 상한 저항값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 산화제가스이용률이 줄어들도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 35 의 본 발명은, 상기 산화제가스이용률이 소정의 회수를 초과하여 줄어든 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 줄어들도록 변화시켜지는 제 34 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 36 의 본 발명은, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 소정의 회수를 초과하여 감소된 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생되어, 상기 연료전지의 운전이 상기 산화제가스이용률이 더욱 감소된 후에 계속되는 제 35 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 37 의 본 발명은, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R3'이,소정의 상한 저항값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 늘어나도록 변화시켜지는 제 23 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 38 의 본 발명은, 상기 부하전류는, 상기 연료전지가 출력하는 직류전류에 중첩되는 교류전류이고,
상기 부하전류를 변동시킨다는 것은, 상기 중첩되는 교류전류의 주파수를 변동시키는 것이고,
상기 임피던스에 관한 계산은, 상기 주파수가 변동시켜지는 교류전류의 복수의 주파수에 있어서의 상기 연료전지의 임피던스의 계산결과에 따라서 행하여지는 제 1 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 39 의 본 발명은, 상기 부하전류를 변동시킨다는 것은, 상기부하전류의 전류값을 스텝형상에 변동시키는 것이고,
상기 임피던스에 관한 계산은, 상기 전류값이 스텝형상으로 변동시켜지는 부하전류의 시간함수를 퓨리에변환함에 의해 얻어지는 주파수함수, 및 상기 부하전류의 변동에 대한 전압응답의 시간함수를 퓨리에변환함에 의해 얻어지는 주파수함수에 따라서 행하여지는 제 1 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 40 의 본 발명은, 상기 연료전지는, 복수의 셀을 갖고,
상기 측정수단은, 상기 전압응답에 관한 측정을 상기 셀마다 행하여,
상기 계산수단은, 상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산을 상기 셀마다 행하여, 상기 연료전지제어수단은, 상기 연료전지의 운전의 조건을 상기 셀마다 변화시키는 제 1 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 41 의 본 발명은, 상기 부하전류변동수단에 상기 복수의 셀을 전기적으로 접속하기 위한 제 1 배선과, 상기 측정수단에 상기 복수의 셀을 전기적으로 접속하기 위한 제 2 배선과,
상기 복수의 셀과 상기 제 1 배선과의 전기적인 접속을 하는지의 전환, 및 상기 복수의 셀과 상기 제 2 배선과의 전기적인 접속을 하는지의 전환을 하기 위한, 상기 셀마다 설정된 복수의 접속수단과,
소정의 제어신호를 이용하여 상기 복수의 접속수단을 제어하기 위한 접속수단 제어수단을 더욱 구비한 제 40 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 42 의 본 발명은, 상기 연료전지는, 직교변환용 인버터에 대하여 직렬로 접속되어 있는 제 1 의 본 발명의 연료전지시스템이다.
제 43 의 본 발명은, 발전을 위해 운전이 행하여지는 연료전지에 대한 부하전류를 변동시키는 부하전류변동스텝과,
상기 부하전류의 변동에 대한 전압응답에 관한 측정을 하는 측정스텝과,
상기 전압응답에 관한 측정의 결과에 따라서, 상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산을 하는 계산 스텝과,
상기 임피던스에 관한 계산의 결과를 이용하여, 상기 연료전지의 운전의 조건을 변화시키는 연료전지 제어스텝을 구비한 연료전지 운전방법이다.
제 44 의 본 발명은, 제 43의 본 발명의 연료전지운전방법의, 발전을 위해 운전이 행하여지는 연료전지에 대한 부하전류를 변동시키는 부하전류 변동스텝과, 상기 전압응답에 관한 측정의 결과에 따라서, 상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산을 하는 계산스텝과, 상기 임피던스에 관한 계산의 결과를 이용하여, 상기 연료전지의 운전의 조건을 변화시키는 연료전지 제어스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이다.
제 45 의 본 발명은, 제 44 의 본 발명의 프로그램을 저장한 기록매체로서, 컴퓨터에 의해 처리가능한 기록매체이다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하, 본 발명의 실시의 형태에 관해서 도면을 참조하면서 설명한다.
(실시의 형태 1)
처음에, 본 발명의 실시의 형태 1의 연료전지발전시스템의 구성도인 도 1을 주로 참조하면서 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 구성에 대해서 설명을 한다.
본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 산소를 포함하는 산화제를 캐소드에 공급하고, 수소를 포함하는 연료가스를 애노드에 공급하여 발전하는 연료전지발전시스템이다.
그리고, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 연료전지셀(501)의 부하전류를 변동시키는 교류신호발생부(503)와 연료전지셀(501)의 전압응답을 측정하는 전압측정부(504)를 갖고, 임피던스계측부(505)가 부하전류와 전압응답의 위상차로부터 연료전지셀(501)의 임피던스를 측정하여, 임피던스의 값에 따라서 운전조건이 변화시켜지는 것이다.
또, 부하(직류를 교류로 변환하기 위한 직교변환용 인버터에 해당한다. 이하 마찬가지이다)(502)는, 측정대상인 연료전지셀(501)에 대하여 직렬로 접속되어 있다.
본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 연료전지발전시스템 중에서 간편히 정밀하게 임피던스를 측정할 수가 있다.
다음에, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 동작에 대해서 설명을 한다. 또, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 동작에 대해서 설명을 하면서, 본 발명의 연료전지운전방법의 1실시의 형태에 관해서도 설명을 한다(그 밖의 실시의 형태에 관해서도 마찬가지이다).
연료전지셀(501)은 부하(502)에 접속되어 있고, 부하(502)를 흐르는 전류는 교류신호발생부(503)로부터의 신호로 제어되어, 연료전지셀(501)에는 교류신호의 주파수로 변동하고 있는 부하전류가 흐른다.
연료전지셀(501)의 전압의 변화를 전압측정부(504)로 관측하여, 교류신호와의 위상차로부터 임피던스계측부(505)로 임피던스를 산출한다.
그리고, 이하에 상술되도록 하여, 연료전지제어부(506)에서, 임피던스의 값에 따라서, 연료전지셀(501)의 운전의 조건을 변화시키기 위한 제어를 한다.
물론, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템에 있어서는, 연료전지로서 1개의 연료전지셀로 이루어지는 것을 대표적으로 나타내고 있지만, 복수의 연료전지셀이 적층된 연료전지스택을 연료전지셀 대신에 접속하여, 연료전지스택 전체의 임피던스를 측정할 수도 있다.
또, 부하(502), 교류신호발생부(503)를 포함하는 수단은 본 발명의 부하전류변동수단에 대응하고, 전압측정부(504)는 본 발명의 측정수단에 대응하고, 임피던스계측부(505)는 본 발명의 계산수단에 대응하고, 연료전지제어부(506)는 본 발명의 연료전지제어수단에 대응하고, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은 본 발명의 연료전지시스템에 대응한다.
이상에 있어서는 본 실시의 형태의 연료전지시스템의 구성 및 동작에 대해서 설명을 하였지만, 이하에 있어서는 같은 연료전지시스템에 있어서의 임피던스의 산출원리나 운전조건의 제어원리에 대해서 자세히 설명을 한다.
연료전지를 구성하는 연료전지셀은, 수소이온전도성 전해질막과 그 양측에 배치된 전극으로 구성되어 있어, 소위 고분자전해질형이다.
이 전극의 한쪽에 연료가스를 공급·배출하고, 다른쪽에 산소함유가스를 공급·배출하는 가스유로를 갖는 한 쌍의 세퍼레이터판을 구비함으로써, 연료전지셀이 구성된다. 또, 연료가스가 공급되는 전극이 애노드이고, 산소함유가스가 공급되는 전극이 캐소드이다.
이 연료전지셀을 수십에서 수백개 적층하여, 하나의 연료전지스택을 구성한다.
연료전지셀의 임피던스는, 애노드의 임피던스, 캐소드의 임피던스, 전해질막의 임피던스, 및 각 구성요소의 접촉저항으로 이루어진다.
본 발명의 실시의 형태 1의 주파수를 스위프시켜 측정한 임피던스를 플롯한 설명도인 도 2에는, 나중에 자세히 설명되는 바와 같이, 전형적인 연료전지셀의 임피던스의 실수(實數)부에 대한 허수(虛數)부(그 부호가 반전되어 있다)의 플롯이나타나 있다.
또, 본 발명자는, 이 임피던스의 거동을 나타내는 등가회로로서, 본 발명의 실시의 형태 1의 셀의 임피던스를 나타내는 등가회로의 설명도인 도3에 나타낸 것이 상당히 높은 정밀도를 갖는 것을 발견하였다.
여기서, 임피던스특성의 측정방법에 관해서 설명을 한다.
연료전지로부터 추출하는 직류전류의 전류 진폭치의 10% 정도 이하의 미소진폭, 주파수(f)의 교류전류를, 직류전류에 중첩하여 추출한다. 여기에, 부하전류의 변동의 범위는, 연료전지의 정격출력의 0∼200%로 한다.
그리고, 그 때에 측정되는, 셀전압의 교류성분과, 셀전류의 교류성분의 진폭 및 위상으로부터 임피던스를 연산한다.
통상, 전압을 가하는 교류전류의 진폭이 클수록, S/N비(signal/noise비)는 향상한다.
그러나, 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의, 교류전류진폭의 직류전류에 대한 비와 S/N비와의 관계를 나타내는 도면인 도 4에 나타내는 바와 같이, 교류전류진폭의 직류전류에 대한 비가 5%를 넘으면 S/N비는 포화하여, 그 이상 진폭을 늘리더라도 S/N비는 거의 향상하지 않는다.
한편, 연료전지의 경우, 셀을 흐르는 전류는 화학반응에 의한 전하의 이동을 따르기 때문에, 교류전류의 진폭을 증대시키면 공급가스량에 대한 반응량(가스이용률)이 변동한다.
통상, 직류전류의 10% 이하의 진폭의 교류전류의 인가이면, 가스이용률의 변동은 조금이고, 측정치에 영향을 주지 않지만, 직류전류의 10%를 넘는 진폭의 교류전류의 인가가 되면, 가스이용률의 변동의 영향이 무시할 수 없어, 측정치에 오차가 생기기 쉽다.
이상의 것으로부터 전압을 가하는 교류전류의 진폭은, 직류전류의 5∼10% 정도인 것이 바람직하다.
그런데, 등가회로의 복소 임피던스를 Z로 하고, 그 실수부를 Zr로 하고, 그 부호를 바꾼 허수부를 Zi로 하면,
[수식 18]
으로 기술된다(다만, 허수단위를 j로 한다, 이하 마찬가지이다).
또, 측정시의 셀전압교류성분을 복소수 E로 하고, 그 실수부를 Er로 하고, 그 부호를 바꾼 허수부를 Ei로 하고, 셀전류교류성분을 복소수 I로 하고, 그 실수부를 Ir로 하고, 그 부호를 바꾼 허수부를 Ii로 하면,
[수식 19]
로 기술된다.
따라서, 주파수 f의 교류전류 추출시에 측정된 E, I로부터 그 때의 복소 임피던스 Z를 연산할 수 있다.
또한, 추출하는 교류전류의 주파수 f를 0.1Hz 정도부터 1000Hz 정도까지 스위프(Sweep)하여 각 주파수에 있어서의 복소임피던스 Z를 마찬가지로 하여 연산한다.
또, 주파수 f는 0.01Hz에서 1MHz의 범위에서 스위프하는 것이 바람직하다.
그리고, 실수부 Zr를 가로축에, 허수부 Zi에 마이너스부호를 붙인-Zi를 세로축으로 한 복소평면에 플롯하여, 본 발명의 실시의 형태 1의 콜-콜 플롯(Cole-Cole plot, 복소평면표시도)의 설명도인 도 5에 나타나 있는 것과 같은 콜-콜플롯을 작성한다.
등가회로가 한 쌍의 저항, 콘덴서병렬회로의 경우인 콜-콜플롯은, 가로축상에 중심점을 갖는 일정한 반지름의 반원형상이 된다(소위 콜-콜의 원호측에 의한다).
도 3과 같은, 저항(저항값)(Rs), 및 저항(저항값)과 콘덴서(용량값)의 쌍 (R1, C1), (R2, C2), (R3, C3)를 갖는 등가회로의 경우의 콜-콜플롯은, 3개의 반원을 포개어 합성한 형상이 된다.
도 5에 있어서, 3개의 반원은 실선으로 나타나고, 이들을 포개어 합성한 형상은 파선으로 나타나 있다.
그려진 형상에 합치되도록 저주파수측에서 1개씩 반원의 반지름, 중심좌표를 결정해 가고, 1번째, 2번째, 3번째의 반원에 대하여, 순차적으로, 중심좌표를 X1,X2, X3, 지름을 D1, D2, D3으로 한다.
그리고, 각 반원의 위에서 허수부의 가장 큰 점에 대응하는 주파수를 순차로 f1, f2, f3으로 하면,
[수식 20]
이다.
이렇게 하여, 콜-콜플롯에 피트하는 등가회로의 컴포넌트(C1, R1), (C2, R2), (C3, R3)의 값을 산출할 수 있다.
본 발명의 실시의 형태 1의 공기의 이용률을 바꿔 측정한 경우의 등가회로의 컴포넌트의 쌍을 플롯한 설명도인 도 6에, 등가회로중의 C와 R쌍의 상관을 나타낸다.
도 6에 있어서는, (C1, R1), (C2, R2), (C3, R3)를 각각 쌍으로 하여 가로축에 C의 축, 세로축에 R의 값을 플롯하였다.
연료전지셀의 운전조건을 변화시켜, 등가회로중의 C와 R의 상관을 조사하였다.
도 6에 있어서는, 알기 쉽도록, 공기이용률(산소이용률) 60%의 경우의(C1, R1), (C2, R2), (C3, R3)을 절선(折線,401)로 연결하고, 공기이용률 40%의 경우의(C1, R1), (C2, R2), (C3, R3)을 절선(402)으로 연결하고, 공기이용률 20%의 (C1, R1), (C2, R2), (C3, R3)를 절선의 경우 (403)으로 연결하였다.
그리고, (C1, R1), (C2, R2), (C3, R3)의 대략의 변동범위를 각각 점선으로 둘러싸서 표시하였다.
산소함유가스인 공기의 이용률을 변화시킨 경우에는, 이와 같이 C3와 R3이 주로 변화한다.
연료가스중의 수소의 농도를 변화시킨 경우에는, C1와 R1이 주로 변화하였다. 또한, 연료전지셀의 온도를 변화시킨 경우에는, C2와 R2가 주로 변화하였다.
이상의 것으로부터 도 3의 등가회로에 있어서는, C1과 R1은 애노드의 반응임피던스에 해당하고, C2와 R2은 캐소드의 반응임피던스에 해당하고, C3과 R3은 캐소드의 확산임피던스에 해당하는 것을 알 수 있었다.
이렇게 하여, 미리 정상시의 각 연료전지셀의 임피던스를 측정해 두고, 등가회로의 컴포넌트의 정상시의 값을 기억해 둔다.
그렇게 하면, 운전중에 수시 임피던스를 측정하여 구한 등가회로의 컴포넌트의 값을 기억해 둔 정상시의 컴포넌트의 값과 비교함으로써, 연료전지셀의 상태를 파악하여, 이상시에는 최적의 시스템제어를 할 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트 (제 1)인 도 7, 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트(제 2)인 도 8, 및 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트(제 3)인 도 9를 주로 참조하면서, 이러한 시스템제어에 대해서 상세히 설명한다.
스텝 1∼3 ; 발전을 시작한 후, 수시 임피던스를 계측한다.
계측된 임피던스로부터 등가회로의 컴포넌트의 값을 구한다.
스텝 4∼8 ; 다음에 등가회로의(C3, R3)의 조가, 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어에 있어서의(C3, R3)의 에어리어를 나타내기 위한 설명도인 도 10의 에어리어에 있는지 판정한다.
(C3, R3)은, 상술한 바와 같이, 캐소드의 확산 임피던스에 근거하는 컴포넌트이다.
도 10에 있어서의 (C3, R3)의 초기값 901은 (C3, R3)의 정상값에 해당한다. 또, 에어리어(91)은,
[수식 21]
에 의해서 정의되는 영역이고, 에어리어(92)는,
[수식 22]
에 의해서 정의되는 영역이고, 에어리어(93)은,
[수식 23]
에 의해서 정의되는 영역이고, 에어리어(94)는,
[수식 24]
에 의해서 정의되는 영역이다.
R3이 증대하여(C3, R3)가 에어리어(91)로 옮기면, 젖음의 진행에 의해 가스확산성이 저하하고 있다고 판단할 수 있기 때문에, 일정시간 공기의 이용률 U0를 줄여 젖음을 해소하여 R3을 감소시킨다.
일정시간 공기의 이용률 U0를 줄이는 조작을 한 회수는, 카운트 해 둔다.
그리고, 이러한 조작을 몇 번이나 되풀이하지 않으면 안되고, 카운트수가 소정값을 초과해 버린 경우에는, 전극의 재료자신이 열화하여 젖기 쉽게 되고 있다고 판단할 수 있기 때문에, 알람을 출력하여 공기의 이용률 U0를 줄인 상태에서 운전을 계속한다. 알람은 유지관리를 더하거나, 유지관리시에 불량의 원인을 특정하는 것에 사용할 수 있다.
스텝 9∼10 ; R3이 감소하여(C3, R3)가 에어리어(92)에 들어가면, 건조가 진행되고 있다고 판단할 수 있기 때문에, 공기의 이용률 U0를 늘림으로써 건조를 억제하여 R3을 증대시킨다.
스텝 11∼12 ; C3가 감소하여(C3, R3)가 에어리어(93)에 들어간 경우에도, 역시 젖음의 진행이라고 판단할 수 있지만, 이 원인은, 연료전지셀의 온도가 내려가버리고 있는 것에 있다고 생각된다. 그래서, 냉각수량을 내려 연료전지셀의 온도를 올림으로써 젖음을 해소하여, C3을 증대시킨다.
스텝 13∼14 ; 반대로, C3이 증대하여(C3, R3)가 에어리어(94)에 들어 간 경우는, 냉각수량을 올려 셀온도를 내림으로써 건조를 억제하여, C3을 감소시킨다.
에어리어(91, 92, 93, 94)의 구체적인 분류방법은 경험적으로 이루어진 것이지만, 이러한 플로우에 따르면 안정하게 운전을 유지할 수 있는 것이다(이하 마찬가지이다.)
다음에 도 11로 옮겨(C2, R2)가, 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어에 있어서의(C2, R2)의 에어리어를 나타내기 위한 설명도인 도 11의 어느 에어리어에 들어가 있는 지를 판정한다.
(C2, R2)는 상술한 바와 같이, 캐소드의 반응임피던스에 근거하는 컴포넌트이다.
도 11에 있어서의(C2, R2)의 초기값 1001은, (C2, R2)의 정상치에 해당한다.
또, 에어리어(101)은,
[수식 25]
에 의해서 정의되는 영역이고, 에어리어(102)는,
[수식 26]
에 의해서 정의되는 영역이고, 에어리어(103)은,
[수식 27]
에 의해서 정의되는 영역이다.
스텝 15∼19 ; C2가 감소하여 (C2, R2)가 에어리어(101)에 들어가면, 캐소드전극촉매의 반응성이 저하하여, 외관의 전극면적이 감소하였다고 생각되기 때문에, 리커버리조작을 하여, C2를 증대시킨다.
리커버리조작이란, 예를 들면 연료가스를 흐르게 한 채로 공기를 차단하여 부하전류를 흐르게 하는, 또는 공기 대신에 공기보다도 산소분압이 낮은 가스를 흐르게 함으로써, 캐소드의 전압을 내리는(요컨대, 연료전지셀의 전압을 내린다) 조작이다.
이러한 리커버리조작에 의해서, 산화의 진행이나 오염물의 부착에 의해서 반응성이 저하한 캐소드전극촉매를 부활시킬 수 있다.
여기에, 저번의 리커버리조작으로부터 단시간에서 반응성이 다시 저하해 버려, 이번의 리커버리조작을 하지 않으면 안되는 경우에는, 촉매 그 자체의 열화가 현저하다고 생각되기 때문에, 알람을 출력하여 운전을 정지한다.
스텝 20∼21 ; R2가 증대하여(C2, R2)가 에어리어(102)에 들어가면, 촉매가 말라 반응성이 저하한다고 판단할 수 있기 때문에, 공기의 가습량을 늘려 R2를 감소시킨다.
스텝 22∼23 ; 반대로, R2가 감소하여(C2, R2)가 에어리어(103)에 들어 가면, 촉매의 젖음이 과잉이라고 판단할 수 있기 때문에, 공기의 가습량을 줄여서 R2를 증대시킨다.
다음에 도 12로 옮겨, (C1, R1)이 본 발명의 실시의 형태 1의 시스템제어에 있어서의(C1, R1)의 에어리어를 나타내기 위한 설명도인 도 12의 어느 에어리어에 들어가 있는 지를 판정한다.
(C1, R1)은, 상술한 바와 같이, 애노드의 반응 임피던스에 근거하는 컴포넌트이다.
도 12에 있어서의(C1, R1)의 초기값 1101은, (C1, R1)의 정상값에 해당한다. 또, 에어리어(111)은,
[수식 28]
에 의해서 정의되는 영역이고, 에어리어(112)는,
[수식 29]
에 의해서 정의되는 영역이고, 에어리어(113)은,
[수식 30]
에 의해서 정의되는 영역이고, 에어리어(114)는,
[수식 31]
에 의해서 정의되는 영역이다.
스텝 24∼28 ; C1이 감소하여(C1, R1)이 에어리어(111)에 들어가면, 애노드전극촉매가 피독(被毒)되어 반응성이 저하하여, 외관의 전극면적이 감소하였다고 생각되기 때문에, 에어블리드량을 늘리고, C1을 증대시키는 것을 시도한다.
에어블리드량은, 연료가스에 미량의 공기를 첨가하여 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 촉매표면에서 산화하여 제거하는 것이다.
에어블리드량을 늘리더라도(C1, R1)이 여전히 에어리어(111)에 들어가 있는 경우는, 애노드전극촉매의 열화가 현저하기 때문에, 알람을 출력하여 운전을 정지한다.
스텝 29∼30 ; R1이 증대하여(C1, R1)이 에어리어(112)에 들어가 있는 경우는,
연료가스량이 과잉인 것에 의해 애노드전극촉매가 말라 버리고 있다고 판단할 수 있기 때문에, 연료의 이용률 Uf를 내려 운전을 하여, R1을 감소시킨다.
스텝 31∼32 ; 반대로, R1이 감소하여(C1, R1)이 에어리어 113에 들어가 있는 경우는, 연료의 이용률 Uf를 올리고, R1을 증대시킨다.
스텝 33∼34 ; C1이 증대하여(C1, R1) 에어리어(114)에 들어가 있는 경우는, 에어블리드량이 과잉이라고 판단할 수 있기 때문에, 에어블리드량을 줄이고, C1을 감소시킨다.
이러한 플로우에 따라서 일련의 조작을 한 후에, 도 7의 임피던스계측(스텝 2)로 복귀하여 같은 조작을 반복한다.
상술한 바와 같이, 이상과 같은 구체적인 에어리어분류는, 초기값을 바탕으로 경험에 근거하여 행한 것이다. 따라서, 연료전지의 구성이나 형상의 변경에 의해서 초기값이 변한 경우에는, 그 값을 바탕으로 에어리어분류도 시프트시키는 것이 바람직하다.
(실시의 형태 2)
처음에, 본 발명의 실시의 형태 2의 연료전지발전시스템의 구성도인 도 13을 주로 참조하면서 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 구성에 대해서 설명을 한다.
본 실시의 형태에 있어서의 연료전지발전시스템의 구성은, 전술한 실시의 형태 1에 있어서의 연료전지발전시스템의 구성과 유사하고 있기 때문에, 이하에서는, 주로 양자의 상이점에 대해서 설명한다(실시의 형태 3에 대해서도, 마찬가지이다).
본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 산소를 포함하는 산화제를 캐소드에 공급하고, 수소를 포함하는 연료가스를 애노드에 공급하여 발전하는 연료전지발전시스템이다.
그리고, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 연료전지셀(601)의 부하전류를 스텝형상으로 변동시키는 부하제어부(603)와 연료전지셀(601)의 전압과도응답을 측정하는 전압측정부(604)를 갖고, 부하전류의 변동으로부터의 시간과 그 때의 전압을 디지탈화하여 퓨리에변환하고, 임피던스계측부(606)가 연료전지셀(601)의 임피던스를 측정하여, 임피던스의 값에 따라서 운전조건이 변화시켜지는 것이다.
본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 단시간에서 모든 주파수에 있어서의 임피던스를 측정할 수가 있다.
다음에, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 동작에 대해서 설명을 한다.
본 실시의 형태에 있어서의 연료전지발전시스템의 동작은, 전술한 실시의 형태 1에 있어서의 연료전지발전시스템의 동작에 유사하고 있기 때문에, 이하에서는, 주로 양자의 상이점에 대해서 설명한다(실시의 형태 3에 대해서도, 마찬가지이다).
연료전지셀(601)은 부하(602)에 접속되어 있고, 부하(602)는 부하제어부(603)로 제어되고, 연료전지셀(601)에는 스텝형상의 부하전류가 흐른다. 여기에, 변동의 범위는 연료전지의 정격출력의 0∼200%로 하고, 스텝형상의 전류값의 증감량은 10% 이상으로 한다.
부하전류변동시의 연료전지셀의 전압의 변화를 전압측정부(604)로 관측하여, 부하변동으로부터의 시간과 그 때의 전압을 디지탈화하여, 후술하는 바와 같이 하여 퓨리에변환부(605)로 퓨리에변환한다.
그리고, 주파수에 대한 전압응답으로 변환한 후, 임피던스계측부(606)에서 임피던스를 산출하여, 연료전지제어부(607)로, 임피던스의 값에 따라서, 연료전지셀(601)의 운전의 조건을 변화시키기 위한 제어를 한다.
물론, 부하전류의 변동은, 임피던스측정을 위해 일부러 행하여도 좋지만, 시스템의 ON-OFF시나 발전능력의 증감시의 부하전류의 증감으로 겸하더라도 좋다.
여기서, 퓨리에변환부(605)의 동작에 대해서, 보다 자세히 설명한다.
스텝형상에 변동시키는 부하전류 Is의 시간함수를 Istep(t), 그 때의 셀전압의 시간함수를 Estep(t)으로 한다. 다만, t는 시간을 나타낸다.
그렇게 하면, Istep(t), Estep(t)의 퓨리에변환 후의 주파수함수는, 각각
[수식 32]
이 된다. 단, f는 주파수를 나타낸다.
따라서, 임피던스 Zstep(f)는,
[수식 33]
이 된다.
이와 같이, 퓨리에변환부(605)는, 시간함수 Istep(t), Estep(t)으로부터 주파수함수 FIstep(f), FEstep(f)을 연산한다.
물론, 퓨리에변환부(605)는, 디지털계산기 등으로 구성되기 때문에, 시간함수 Istep(t), Estep(t)를 유한개로 분할하여 디지털연산함으로써, 유한개의 FIstep(f), FEstep(f)를 구하여, 유한개의 임피던스 Zstep(f)를 산출한다.
또, 부하(602), 부하제어부(603)를 포함하는 수단은 본 발명의 부하전류변동수단에 대응하고, 전압측정부(604)는 본 발명의 측정수단에 대응하고, 임피던스계측부(606)는 본 발명의 계산수단에 대응하고, 연료전지제어부(607)는 본 발명의 연료전지제어수단에 대응하고, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은 본 발명의 연료전지시스템에 대응한다.
(실시의 형태 3)
처음에, 본 발명의 실시의 형태 3의 연료전지발전시스템의 구성도인 도 14를 주로 참조하면서, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 구성에 대해서 설명을한다.
본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 산소를 포함하는 산화제를 캐소드에 공급하고, 수소를 포함하는 연료가스를 애노드에 공급하여 발전하는 연료전지셀 (701)이 여러 개 직렬로 접속된 연료전지스택(702)을 갖는 시스템이다.
본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 각 연료전지셀(701)에 공통의 부하 (703)를 변동시키는 부하제어부(704)와 각 연료전지셀(701)마다의 전압측정이 가능한 전압측정부(705)를 갖고, 임피던스계측부(707)가 각 연료전지셀(701)의 임피던스를 측정하여, 그 임피던스에 따라서 운전조건이 변화시켜지는 것이다.
본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은, 연료전지스택(702)을 구성하는 각 연료전지셀(701)의 임피던스를 측정할 수가 있다.
다음에, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 동작에 대해서 설명을 한다.
연료전지셀(701)이 적층된 연료전지스택(702)은 부하(703)에 접속되어 있고, 부하(703)는 부하제어부(704)로 제어되어, 연료전지스택(702)에는 스텝형상의 부하전류가 흐른다.
각 연료전지셀(701)의 전극은 전압측정부(705)에 접속되어 있고, 부하전류변동시의 각 연료전지셀(701)의 전압의 변화를 전압측정부(705)로 관측하여, 부하변동으로부터의 시간과 그 때의 전압을 디지털화하여, 퓨리에변환부(706)로 퓨리에변환한다.
그리고, 주파수에 대한 전압응답에 변환한 후, 임피던스계측부(707)에서 임피던스를 산출하여, 연료전지제어부(708)에서, 임피던스의 값에 따라서, 각 연료전지셀(701)의 운전의 조건을 변화시키기 위한 제어를 행한다.
물론, 부하전류의 변동은, 임피던스측정을 위해 일부러 행하여도 좋지만, 시스템의 ON-OFF시나 발전능력의 증감시의 부하전류의 증감으로 겸하더라도 좋다.
또, 부하(703), 부하제어부(704)를 포함하는 수단은 본 발명의 부하전류변동수단에 대응하고, 전압측정부(705)는 본 발명의 측정수단에 대응하고, 임피던스계측부(707)는 본 발명의 계산수단에 대응하고, 연료전지제어부(708)는 본 발명의 연료전지제어수단에 대응하고, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은 본 발명의 연료전지시스템에 대응한다.
(실시의 형태 4)
처음에, 본 발명의 실시의 형태 4의 연료전지발전시스템의 구성도인 도 15를 주로 참조하면서, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 구성에 대해서 설명을 한다.
연료전지셀(801)이 적층된 연료전지스택(802)은, 인버터(803)에 접속되어 있고, 외부부하와 접속되어 있다.
연료전지셀(801)은, 각각 자동접속장치(44)를 구비하고, 접속장치제어선(45)과 전압측정선(46)과 전류선(47)이, 자동접속장치(44)의 단자를 통하여 접속되어 있다.
다음에, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템의 동작에 대해서 설명을 한다.
자동접속장치(44)의 단자는, 통상시에 있어서 개방되어 있고, 접속장치제어부(804)로부터의 어드레스신호를 접속장치제어선(45)을 통하여 수신하여, 그 어드레스신호와 자동접속장치(44)의 어드레스와가 일치한 경우만, 전압측정선(46)과 전류선(47)이 자동접속장치(44)를 통하여, 연료전지셀(801)이 접속된다.
이와 같이, 단일의 전압측정선(46)과 단일의 전류선(47)을 이용하는 간소한 배선구성에 의해서, 단일의 셀만을 임피던스계측부(806)와 용이하게 접속할 수가 있다.
임피던스계측부(806)와 접속된 연료전지셀(801)은, 전자부하부(807)에 의해 미소한 전류가 추출되고, 교류신호발생부(808)에 의해 특정주파수의 교류신호가 전류에 중첩된다.
부하전류변동시의 연료전지셀(801)의 전압변화를 전압측정부(809)로 관측하여, 그 전압응답으로부터 임피던스계측부(806)로 임피던스를 산출하여, 연료전지제어부(805)로, 임피던스의 값에 따라서, 연료전지셀(801)의 운전의 조건을 변화시키기 위한 제어를 한다.
미리 정상운전시의 각 셀의 임피던스를 측정해 두고, 각 셀에 내장된 자동접속장치의 어드레스와 동시에, 후술되는 것과 같은 등가회로의 컴포넌트의 값을 기억시켜 둔다.
운전중에 수시 임피던스를 측정하여 등가회로의 컴포넌트의 값을 구하여 정상시의 값과 비교함으로써, 셀의 상태를 리얼타임으로 파악할 수 있고, 이상시에는 최적의 제어를 걸 수 있다.
요컨대, 본 실시의 형태의 연료전지시스템은, 각 셀에 내장된 자동접속장치 (44)를 사용하여, 특정한 어드레스제어신호가 전(全)셀에 송신되어, 어드레스가 일치하는 대상셀만을 임피던스계측부(806)와 접속레이상의 원인을 판정 이상의 원인에 대하여 충분한 대처를 한다.
여기서, 본 발명의 실시의 형태 4의 셀 내장의 자동접속장치(44)의 구성도인 도 16을 참조하면서 세퍼레이터에 내장된 자동접속장치(44) 및 임피던스계측부 (806)와의 접속에 대해서 설명한다.
자동접속장치(44)는, 셀마다 다른 어드레스를 갖고, 접속장치제어부(804)로부터의 특정신호를 받아, 어드레스와 특정신호와가 일치할 때만, 임피던스계측부 (806), 전자부하부(807), 교류신호발생부(808), 전압측정부(809)와의 접속을 한다.
물론, 자동접속장치(44)는 어드레스와 특정신호가 일치하지 않은 경우에는, 임피던스계측부(806), 전자부하부(807), 교류신호발생부(808), 전압측정부(809)로부터 잘라내어진다.
이렇게 하여, 대상셀만을 임피던스계측부(806), 전자부하부(807), 교류신호발생부(808), 전압측정부(809)와 접속할 수 있는 것이 된다.
또, 전자부하부(807), 교류신호발생부(808)를 포함하는 수단은 본 발명의 부하전류변동수단에 대응하고, 전압측정부(809)는 본 발명의 측정수단에 대응하고, 임피던스계측부(806)는 본 발명의 계산수단에 대응하고, 연료전지제어부(805)는 본 발명의 연료전지제어수단에 대응하고, 본 실시의 형태의 연료전지발전시스템은 본 발명의 연료전지시스템에 대응한다. 또한, 전류선(47)은 본 발명의 제 1 배선에대응하고, 전압측정선(46)은 본 발명의 제 2 배선에 대응하고, 자동접속장치(44)는 본 발명의 접속수단에 대응하고, 접속장치제어부(804), 접속장치제어선(45)을 포함하는 수단은 본 발명의 접속수단제어수단에 대응한다.
이상에 있어서는 본 실시의 형태의 연료전지시스템의 구성 및 동작에 대해서 설명을 하였지만, 이하에 있어서는 동(同) 연료전지시스템에 있어서의 임피던스의 산출원리나 운전조건의 제어원리에 대해서 자세히 설명을 한다.
우선, 본 발명의 실시의 형태 4의 셀의 임피던스를 나타내는 등가회로의 설명도인 도 17을 참조하면서, 셀의 임피던스를 나타내는 등가회로에 대해서 설명한다.
셀의 임피던스는, 애노드의 임피던스와 캐소드의 임피던스와 전해질막의 임피던스 및 접촉저항으로 이루어진다.
이 임피던스의 거동이, 도 17에 나타내는 등가회로로 표현할 수 있는 것이다.
연료전지로부터 추출하는 직류전류의 10% 정도 이하의 미소진폭, 주파수 f'의 교류전류를 직류전류로 중첩하여 추출함으로써, 전술의 실시의 형태 1의 경우와 같이 복소 임피던스 Z'를 연산할 수 있다.
추출하는 교류전류의 주파수 f'를 0.1Hz 정도로부터 1000Hz 정도까지 스위프하여, 각 주파수에 있어서의 복소 임피던스 Z'의 연산을 한다.
또, 임피던스는, 복수의 특정주파수를 변화시키면서 측정하거나, 복수의 특정주파수가 혼재한 교류로 측정하거나 하는 것이 바람직하다.
그리고, 그 실수부 Zr'를 가로축에, 허수부 Zi'에 마이너스부호를 붙인 -Zi'를 세로축으로 한 복소평면에 플롯하여, 본 발명의 실시의 형태 4의 콜-콜플롯의 설명도인 도 18에 나타나 있는 것과 같은 콜-콜플롯을 작성한다.
도 17과 같은, 저항(저항값)과 콘덴서(용량값)의 쌍(R1', C1'), 저항(저항값)과 콘덴서(용량값)와 월블루그저항(월블루그저항값)의 쌍(R2', C2', W2'), 및 저항(저항값) R3을 갖는 등가회로의 경우의 콜-콜플롯은, 2개의 반원과, 원호와 직선을 연결한 곡선(월블루그저항의 콜-콜플롯에 대응한다)을 포개어 합성한 형상이 된다.
도 18에 있어서, 2개의 반원 및 원호와 직선을 연결한 곡선은 실선으로 표시되고, 이들을 포개어 합성한 형상은 파선으로 표시되고 있다.
그려진 형상에 합치되도록 저주파수측에서 하나씩 원호의 반지름, 중심좌표를 결정해 가고, 1번째, 2번째의 반원에 대하여 순서대로, 중심좌표를 X1', X2', 지름을 D1', D2'로 하고, 원호와 직선을 연결한 곡선에 대하여, 폭을 D3'으로 한다.
그리고, 1번째, 2번째의 반원, 직선과 연결된 원호의 위에서 허수부의 가장 큰 점에 대응하는 주파수를 순서대로 f1', f2', f3'으로 하면,
[수식 34]
이다.
또, W2T'는, 가스확산성의 지표가 되는 정수이다.
이와 같이 하여, 그려진 형상에 합치하도록 등가회로의 각 컴포넌트의 값을 산출한다.
그런데, 셀의 운전조건을 변화시켜, 등가회로중의 각 컴포넌트의 수치변화를 조사하였다.
그렇게 하면, 연료가스의 이슬점온도를 변화시킨 경우에는 C1'과 R1'이 주로 변화하고, 산소함유가스의 이슬점온도를 변화시킨 경우에는 C2' 와 R2'이 주로 변화하고, 산소함유가스인 공기의 산소이용률을 변화시킨 경우에는 W2R'이 주로 변화하였다.
이상의 것으로부터, C1'은 애노드의 전기 2중층용량에 해당하고, R1'은 애노드의 반응저항에 해당하고, C2'는 캐소드의 전기 2중층용량에 해당하고, R2'는 캐소드의 반응저항에 해당하고, W2R'은 캐소드의 확산저항에 해당하는 것을 알 수 있었다.
또, 가습량을 증대시키면 R3'이 저하한다는 이유에 의해, R3'은 고분자막의 저항에 해당하는 것을 알 수 있다.
따라서, C1'의 변화를 조사하는 것에 의해, 애노드전극촉매층의 반응면적의 이상, 열화를 검지, 파악할 수 있다.
또한, R1'의 변화를 조사하는 것에 의해, 애노드전극촉매층의 반응저항의 이상, 열화를 검지, 파악할 수 있다.
또한, C2'의 변화를 조사하는 것에 의해, 캐소드전극촉매층의 반응면적의 이상, 열화를 검지, 파악할 수 있다.
또한, R2'의 변화를 조사하는 것에 의해, 캐소드전극촉매층의 반응저항의 이상, 열화를 검지, 파악할 수 있다.
또한, W2R'의 변화를 조사하는 것에 의해, 캐소드가스확산층의 확산저항의 이상, 열화를 검지, 파악할 수 있다.
또한, R3'의 변화를 조사하는 것에 의해, 고분자막의 가습상태의 이상, 열화를 검지, 파악할 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시의 형태 4의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우 차트(제 1)인 도 19, 본 발명의 실시의 형태 4의 시스템제어를 설명하기 위한 플로우차트(제 2)인 도 20, 및 본 발명의 실시의 형태 4의 시스템제어를 설명하기 위한플로우 차트(제 3)인 도 21을 주로 참조하면서, 이러한 시스템제어에 대해서 보다 상세히 설명한다.
스텝 1∼3 ; 발전을 시작한 후, 수시 임피던스를 계측한다.
물론, 계측하는 연료전지셀의 순서는 어드레스순이라도 좋고, 순서가 동일하지 않더라도 좋다. 계측된 임피던스로부터 등가회로의 컴포넌트의 값을 구한다.
다음에 등가회로의 W'에 관해서 판정을 행한다.
W2'는 캐소드의 가스확산에 근거하는 컴포넌트이지만, W2R'이 확산저항의 크기를 나타내고 있다.
스텝 4∼10 ; W2R'이 상승하면, 젖음의 진행에 의해 가스확산성이 저하하고 있다고 판단할 수 있기 때문에, W2R'의 값이 소정값을 넘은 경우에는, 일정시간 공기의 이용률 U0'을 줄이고, 가스유량을 증대시켜, 젖음을 해소시킨다.
일정시간 공기의 이용률 U0'을 줄이는 조작을 한 회수는, 카운트해 둔다.
그리고, 이러한 조작을 몇 번이나 반복하지 않으면 안되고, 카운트수가 소정값을 넘어 버린 경우에는, 일정시간 냉각수량을 내려 셀의 온도를 올림으로써 젖음을 해소한다.
일정시간 냉각수량을 줄이는 조작을 한 회수는, 카운트해 둔다.
그리고, 이러한 조작을 몇 번이나 반복하지 않으면 안되고, 카운트수가 소정값을 넘어 버린 경우에는, 전극의 재료자체가 열화하여 젖기 쉽게 되어 버리고 있다고 판단하여, 알람을 출력하고 또한 공기의 이용률 U0'을 줄인 상태에서 운전을 계속한다.
알람은, 사용자에게 이상을 알리거나, 유지관리를 재촉하거나, 그 유지관리시에 불량의 원인을 특정하거나 하는 것에 사용할 수 있다.
스텝 11∼12 ; W2R'이 소정값을 밑도는 상태에서는, 건조의 진행이라고 판단되기 때문에, U0'을 늘림으로써 건조를 억제할 수 있다(가스유량을 감소시키더라도 좋다).
다음에 R3'에 관해서 판정을 한다.
R3'은 고분자막의 저항의 크기를 나타내고 있다.
스텝 13∼14 ; R3'이 상승하면, 건조에 의해 고분자막의 저항이 증대하고 있다고 판단할 수 있기 때문에, 냉각수량을 올려서 젖기 쉬운 상태를 만들어 건조를 억제할 수 있다.
도 20에 옮겨, R2', C2'에 관해서 판정을 한다.
R2'는 캐소드의 촉매층의 반응저항을 나타내고, C2'는 캐소드의 촉매층의 반응면적을 나타낸다.
스텝 15∼19 ; C2'가 감소하면, 전극촉매의 반응성이 저하하여, 외관의 전극면적이 저하하였다고 생각되기 때문에, C2'가 소정값을 밑돌고 있는 경우는, 리커버리조작을 한다.
리커버리조작은, 연료가스를 흐르게 한 채로 공기를 차단하여 부하전류를 흐르게 하거나, 공기 대신에 불활성가스를 흐르게 하거나 하여 캐소드의 전위를 내리는(셀전압을 내린다) 조작이다.
이것에 의해서 산화의 진행이나 오염물의 부착에 의해서 반응성이 저하한 전극촉매를 부활시킬 수 있다.
그러나, 리커버리에 의해서 반응면적이 상승하지 않는 경우나, 저번의 리커버리조작으로부터 단시간에서 반응면적이 저하하는 경우에는, 촉매 그 자체의 열화가 현저하기 때문에, 알람을 출력하여 운전을 정지한다.
스텝 20∼21 ; R2'가 상승하면, 촉매가 말라 반응성이 저하한다고 판단할 수 있기 때문에, R2'가 소정값을 웃돌고 있는 경우에는, 공기의 가습량을 늘린다.
스텝 22∼23 ; 반대로, R2'가 감소하면 촉매의 젖음이 과잉이기 때문에, R2'가 소정값을 밑돌고 있는 경우에는, 공기의 가습량을 감한다.
도 21로 옮겨서, R1', C1'에 관해서 판정을 한다. R1'은 애노드의 촉매층의 반응저항을 나타내고, C1'은 애노드의 촉매층의 반응면적을 나타낸다.
스텝 24∼28 ; C1'이 감소하면, 애노드전극촉매가 피독되어 반응성이 저하하여, 겉보기의 전극면적이 저하하였다고 생각되기 때문에, C1'이 소정값을 밑돌고 있는 경우에는, 에어블리드량을 늘린다.
에어블리드란, 연료가스에 미량의 공기를 첨가하여 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 촉매표면에서 산화하여 제거하는 것이다.
에어블리드량을 늘리더라도, C'가 소정값을 밑돌고 있는 경우에는, 애노드전극촉매의 열화가 현저하다고 판단하여 알람을 출력하여 운전을 정지한다.
스텝 29∼30 ; R1'이 상승하면, 연료가스량이 과잉인 것에 의해 애노드촉매가 말라 반응성이 저하한다고 판단할 수 있기 때문에, R1'이 소정값을 웃돌고 있는 경우에는, 연료의 이용률 Ur을 내려 운전을 한다(또, 연료가스의 가습량을 올리더라도 좋다).
스텝 31∼32 ; 반대로, R1'이 감소하면, 촉매의 젖음이 과잉이라고 판단할 수 있기 때문에, R1'이 소정값을 밑돌고 있는 경우에는, 연료의 이용률 Uf를 올려 운전을 한다(또, 연료가스의 가습량을 내리더라도 좋다).
스텝 33∼34 ; C1'이 상승하면, 에어블리드량이 과잉이라고 판단할 수 있기 때문에, C1'이 소정값을 웃돌고 있는 경우에는, 에어블리드량을 줄인다.
또, 이상에 있어서의 여러 가지의 소정값은, 제어에 의해서 정상적인 운전상태가 유지할 수 있는 범위에서 적절히 설정을 한다.
이렇게 하여, 대상 셀의 운전상태의 판정이 종료되면, 접속장치제어부(804)로부터 다음 대상 셀의 어드레스신호를 송신한다.
그리고, 어드레스신호와 자동접속장치(44)의 어드레스가 일치하는 대상 셀의임피던스계측 및 제어를, 같은 플로우에 의해서 한다.
이렇게 하여, 하나의 셀의 측정이 종료되면, 어드레스신호를 바꿔, 연료전지스택(802)내의 모든 연료전지셀을 연속적으로 측정할 수가 있다.
본 실시의 형태에 의하면, 간이한 배선에 의한 저비용인 자기진단기능에 좋은 이상한 셀을 용이하게 판정하여, 이상원인을 특정할 수 있고, 적절한 제어를 함으로써 신뢰성이 높은 운전을 가능하게 한 연료전지시스템을 얻을 수 있다.
다음에 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
실시예 1에 있어서의 연료전지발전시스템의 제작 ; 처음으로 가스확산층을 이하의 방법으로 제작하였다.
카본페이퍼(도오레(주)제 TGPH-060)에 폴리테트라-플루오로에틸렌의 분산액(다이킨고교(주)제 루브론 LDW-40)을 건조중량으로서 10중량% 함침시킨 후, 열풍건조기를 사용하여 350℃에서 가열함으로써 발수처리를 하였다.
또한 탄소분말과 불소수지로 이루어지는 고분자함유도전층을 형성하였다.
즉 탄소분말로서의 덴키카가쿠고교(주)제 덴카블랙에, 불소수지로서의 폴리테트라-플루오로에틸렌의 분산액(다이킨제 루브론 LDW-40)을 건조중량으로 30중량% 혼합하여 분산액을 제작하였다. 그리고, 이와 같이 하여 작성한 분산액을, 전술한 바와 같이 발수처리한 카본페이퍼에 도공(塗工)하여, 열풍건조기를 사용하여 350℃에서 가열함으로써 고분자함유도전층을 포함하는 가스확산층을 제작하였다.
다음에 전해질막-전극접합체(MEA)를 이하의 방법으로 제작하였다.
도전성탄소분말에 평균입자지름 약 30Å의 백금입자를 50중량% 담지한 것(다나카 귀금속공업(주)제 TEC10E50E) 10g에 물 10g을 가하여, 수소이온전도성 고분자전해질의 9중량% 에탄올용액(아사히가라스(주)제 프레미온) 55g을 혼합하여, 촉매페이스트를 제작하였다.
이 페이스트를 폴리프로필렌필름상에 와이어 바를 사용한 바 코팅에 의해 도포하여 건조함으로써, 산화제극측촉매층으로 하였다. 촉매층의 도포량은, 백금의 함유량이 1㎠ 당 0.3mg이 되도록 조정하였다.
도전성탄소분말에 백금-루테늄합금을 담지한 것(다나카 귀금속공업(주)제 TEC61E54) 10g에 물 10g을 가하여, 수소이온전도성 고분자전해질의 9% 에탄올용액(아사히가라스(주)제 프레미온) 50g을 혼합하여 촉매페이스트를 제작하였다.
이 페이스트를 폴리프로필렌필름상에 와이어 바를 사용한 바코팅에 의해 도포하여 건조함으로써, 연료극측 촉매층으로 하였다. 촉매층의 도포량은, 백금의 함유량이 1㎠당 0.3mg이 되도록 조정하였다.
이 촉매층첨부 폴리프로필렌필름을 각각 6cm각으로 잘라, 수소이온 전도성 고분자전해질막(재팬고어텍스(주)사제 고어셀렉트, 막두께 30㎛)을, 전술한 촉매층에 부착된 2쌍의 폴리프로필렌필름으로 촉매층이 안쪽이 되도록 끼웠다. 그리고, 이와 같이 하여 2쌍의 폴리프로필렌필름으로 끼운 고분자전해질막을, 130℃에서 10분간 핫프레스 한 후, 폴리프로필렌필름을 제거하여, 촉매층에 부착된 고분자전해질막을 얻었다.
이 촉매층부고분자전해질막의 양측에 가스확산층을, 그 고분자함유도전층이안쪽이 되도록 끼워 MEA로 하였다.
한편, 흑연판에 가스유로와 냉각수유로를 절삭가공하여 세퍼레이터판을 제작하였다. MEA를 한 쌍의 세퍼레이터판으로 끼워, 연료전지셀을 구성하였다.
이 연료전지셀을 사용하여, 실시의 형태 1의 구성의 연료전지발전시스템을 제작하였다. 실시예 1에 있어서의 연료전지발전시스템의 운전의 개시; 연료극측에는, 개질가스를 모의한 혼합가스(수소 80%, 이산화탄소 20%, 일산화탄소 20ppm)에 에어블리드로서 혼합가스의 부피의 1%의 양의 공기를 가한 것을 이슬점이 70℃가 되도록 가습하여 공급하고, 산소극측에는, 이슬점이 70℃가 되도록 가습한 공기를 공급하였다.
연료이용률 80%, 산소이용률 40%, 전류밀도 200mA/㎠로 발전을 하였다. 냉각수를, 연료전지셀(501)의 입구측에서 70℃, 출구측에서 72∼75℃가 되도록 조정하였다.
연료전지셀(501)의 전압은 0.75V이었다.
실시예 1에 있어서의 연료전지발전시스템의 운전의 제어; 교류신호발생부 (503)에서 1Hz, 2Hz, 4Hz, 8Hz, 16Hz, 32Hz, 64Hz, 128Hz, 256Hz의 교류신호를 순차 발생시켜, 그 신호에 동기하여 부하전류를 제어하였다. 부하전류는, 200mA/㎠의 직류에 ±10mA/㎠의 정현파를 중첩한 전류로 하였다.
그 때의 전압변화를 전압측정부(504)로 관측하여, 임피던스계측부(505)로 임피던스를 구하여, 도 7∼9의 플로우에 따라서 제어를 하였다.
본 발명의 실시예 1 및 비교예에 있어서의 셀전압의 시간 경과변화를 나타낸도면인 도 22에, 실시예 1의 셀전압(151)으로서, 셀전압의 시간경과변화를 나타낸다.
운전을 시작하고 나서 5000시간 경과후에도, 셀전압(151)은 0.70V 이상을 유지하였다.
(실시예 2)
실시예 1과 같이 연료전지셀을 구성하여, 이 연료전지셀을 사용하여 실시예 1과 같이 실시의 형태 1의 구성의 연료전지발전시스템을 제작하였다.
실시예 1과 같이 운전을 하여, 도 7∼9의 플로우에 따라서 제어를 하였다.
다만, 실시예 2에 있어서는, 도 9중의 스텝(30) 및 스텝(32)의 Uf의 증감은 하지 않았다.
본 발명의 실시예 2∼6에 있어서의 셀전압의 시간경과변화를 나타낸 도면인 도 23에, 실시예 2의 셀전압(161)으로서, 셀전압의 시간경과변화를 나타낸다.
운전을 시작하고 나서 5000시간 경과후에도, 셀전압(161)은 0.70V 이상을 유지하였다.
(실시예 3)
실시예 1과 같이 연료전지셀을 구성하여, 이 연료전지셀을 사용하여 실시예 1과 같이 실시의 형태 1의 구성의 연료전지발전시스템을 제작하였다.
실시예 1과 같이 운전을 하여, 도 7∼9의 플로우에 따라서 제어를 하였다.
다만, 실시예 3에 있어서는, 도 9중의 스텝(25) 및 스텝(34)의 에어블리드량의 증감은 하지 않았다.
도 23에, 실시예 3의 셀전압(162)으로서, 셀전압의 시간 경과변화를 나타낸다.
운전을 시작하고 나서 4500시간 경과후에도, 셀전압(162)은 0.70V 이상을 유지하였다.
(실시예 4)
실시예 1과 같이 연료전지셀을 구성하여, 이 연료전지셀을 사용하여 실시예 1과 같이 실시의 형태 1의 구성의 연료전지발전시스템을 제작하였다.
실시예 1과 같이 운전을 하여, 도 7∼9의 플로우에 따라서 제어를 하였다.
다만, 실시예 4에 있어서는, 도 8중의 스텝(21) 및 스텝(23)의 공기가습량의 증감은 되지 않았다.
도 23에, 실시예 4의 셀전압(163)으로서, 셀전압의 시간경과변화를 나타낸다.
운전을 시작하고 나서 4000시간 경과후에도, 셀전압(163)은 0.70V 이상을 유지하였다.
(실시예 5)
실시예 1과 같이 연료전지셀을 구성하여, 이 연료전지셀을 사용하여 실시예 1과 같이 실시의 형태 1의 구성의 연료전지발전시스템을 제작하였다.
실시예 1과 같이 운전을 하여, 도 7∼9의 플로우에 따라서 제어를 하였다.
다만, 실시예 5에 있어서는, 도 7중의 스텝(12) 및 스텝(14)의 냉각수량의증감은 하지 않았다.
도 23에, 실시예 5의 셀전압(164)으로서, 셀전압의 시간경과변화를 나타낸다.
운전을 시작하고 나서 3500시간 경과후에도, 셀전압(164)은 0.70V 이상을 유지하였다.
(실시예 6)
실시예 1과 같이 연료전지셀을 구성하여, 이 연료전지셀을 사용하여 실시예 1과 같이 실시의 형태 1의 구성의 연료전지발전시스템을 제작하였다.
실시예 1과 같이 운전을 하여, 도 7∼9의 플로우에 따라서 제어를 하였다.
다만 실시예 6에 있어서는, 도 7중의 스텝(5) 및 스텝(8) 및 스텝(10)의 U0의 증감은 하지 않았다.
도 23에, 실시예 6의 셀전압(165)으로서, 셀전압의 시간경과변화를 나타낸다.
운전을 시작하고 나서 3000시간경과후 에도, 셀전압(165)은 0.70V 이상을 유지하였다.
(실시예 7)
실시예 7에 있어서의 연료전지발전시스템의 제작; 실시예 1과 같이 연료전지셀을 구성하여, 이 연료전지셀을 사용하여 실시의 형태 2의 구성의 연료전지발전시스템을 제작하였다.
실시예 7에 있어서의 연료전지발전시스템의 운전의 개시; 연료극측에는 이슬점이 70℃가 되도록 가습한 수소가스를 공급하고, 산소극측에는 이슬점이 70℃가 되도록 가습한 공기를 공급하여, 연료이용률 80%, 산소이용률 40%, 정격전류밀도 200mA/㎠로 발전을 하였다.
냉각수를, 연료전지셀(601)의 입구측에서 70℃, 출구측에서 72∼75℃가 되도록 조정하였다.
실시예 7에 있어서의 연료전지발전시스템의 운전의 제어; 매일, 밤에는 2시간 전류밀도를 100 mA/㎠으로 줄이고, 그 후 전류밀도를 0으로 하여 연료전지셀 (601)을 냉각하여, 시스템을 정지하였다.
아침에는 1시간 전류밀도 100mA/㎠로 운전한 후, 정격전류밀도로 운전을 하였다. 전류밀도를 증감하기 위해서는, 부하제어부(603)로부터 제어신호를 발하여, 부하(602)의 부하전류를 스텝형상으로 증감한다.
부하증감시의 전압의 변화를 전압측정부(604)로 관측하고, 디지털화하여 퓨리에변환부(605)로 퓨리에변환하였다.
그리고, 임피던스계측부(606)로 임피던스를 구하여, 도 7∼9의 플로우에 따라서 제어를 하였다.
실시예 1과 같이, 운전을 시작하고 나서 5000시간 경과후에도, 셀전압은 0.70 V 이상을 유지하였다.
(실시예 8)
실시예 8에 있어서의 연료전지발전시스템의 제작; 실시예 1과 같이 연료전지셀을 구성하여, 이 연료전지셀을 60개 적층하여 연료전지스택을 구성하였다.
이것을 사용하여 실시의 형태 3의 구성의 연료전지발전시스템을 제작하였다.
실시예 8에 있어서의 연료전지발전시스템의 운전의 개시; 각 연료전지셀 (701)의 세퍼레이터판으로부터 리드선을 끌어내어, 전압측정부(705)에 접속하였다.
연료극측에는 이슬점이 70℃가 되도록 가습한 수소가스를 공급하고, 산소극측에는 이슬점이 70℃가 되도록 가습한 공기를 각각 공급하고, 연료이용률 80%, 산소이용률 40%, 정격전류밀도 200mA/㎠로 발전을 하였다.
냉각수를, 연료전지스택(702)의 입구측에서 70℃, 출구측에서 72∼ 75℃가 되도록 조정하였다.
실시예 8에 있어서의 연료전지발전시스템의 운전의 제어; 실시예 7과 같이, 전류밀도를 증감하여 운전을 하여, 그 때의 임피던스를 계측하여, 도 7∼9의 플로우에 따라서 제어를 하였다.
실시예 1과 같이, 운전을 시작하고 나서 5000시간 경과후에도, 셀전압은 0.70V 이상을 유지하였다.
(비교예)
비교예에 있어서의 연료전지발전시스템의 제작; 본 비교예의 연료전지발전시스템을, 실시예 1과 유사한 구성을 갖는 연료전지발전시스템으로서 제작하였다.
비교예에 있어서의 연료전지발전시스템의 운전의 개시; 실시예 1과 같이, 연료극측에는 이슬점이 70℃가 되도록 가습한 수소가스를 공급하고, 산소극측에는 이슬점이 70℃가 되도록 가습한 공기를 각각 공급하여, 연료이용률 80%, 산소이용률40%, 전류밀도 200 mA/㎠로 발전을 하였다.
비교예에 있어서의 연료전지발전시스템의 운전의 제어; 본 비교예의 연료전지발전시스템의 운전은, 부하전류는 변동시키지 않고, 임피던스도 계측하지 행하였다.
도 22에, 비교예의 셀전압(152)으로서, 셀전압의 시간 경과변화를 나타낸다.
운전을 시작하고 나서 2000시간 경과후에는, 셀전압(152)은 0.70V로 저하하여, 그 후 2500시간에서, 발전전압이 급격히 저하하여 발전이 정지하였다.
상술의 실시예 1∼8과 비교예를 비교하는 것에 의해, 본 발명에 의하면, 연료전지셀의 상황을 파악할 수가 있어, 이에 따라 연료전지의 최적의 운전조건을 유지할 수 있기 때문에, 장시간 안정하게 연료전지의 발전을 유지할 수 있는 것이 분명해진다.
또한, 본 발명의 프로그램은, 상술한 본 발명의 연료전지운전방법의 전부 또는 일부의 스텝의 동작을 컴퓨터에 의해 실행시키기 위한 프로그램으로서, 컴퓨터와 협동하여 동작하는 프로그램이다.
또한, 본 발명의 기록매체는, 상술한 본 발명의 연료전지운전방법의 전부 또는 일부의 스텝의 전부 또는 일부의 동작을 컴퓨터에 의해 실행시키기 위한 프로그램을 담지한 기록매체이고, 컴퓨터에 의해 읽기가능하고, 읽어내어진 상기 프로그램이 상기 컴퓨터와 협동하여 상기 동작을 실행하는 기록매체이다.
또, 본 발명의 상기 '일부의 스텝'이란, 그것들의 복수의 스텝중의, 1개 또는 몇 개인가의 스텝을 의미한다.
또한, 본 발명의 상기 '스텝(또는 공정, 동작, 작용 등)의 동작'이란, 상기 스텝의 전부 또는 일부의 동작을 의미한다.
또한, 본 발명의 프로그램의 1이용형태는, 컴퓨터에 의해 읽기 가능한 기록매체에 기록되어, 컴퓨터와 협동하여 동작하는 형태이더라도 좋다.
또한, 본 발명의 프로그램의 1이용형태는, 전송매체 중을 전송하여, 컴퓨터에 의해 독해되고, 컴퓨터와 협동하여 동작하는 형태이더라도 좋다.
또한, 기록매체로서는, ROM 등이 포함되고, 전송매체로서는, 인터넷등의 전송매체, 빛·전파·음파 등이 포함된다.
또한, 상술한 본 발명의 컴퓨터는, CPU 등의 순수한 하드웨어에 한정되지 않고, 펌웨어나 OS, 또한 주변기기를 포함하는 것이더라도 좋다.
또, 이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성은, 소프트웨어적으로 실현하더라도 좋고, 하드웨어적으로 실현하더라도 좋다.
본 발명은, 연료전지의 발전이상의 원인에 따른 것에 의해 신뢰성이 높은 대처를 할 수 있다고 하는 장점을 갖는다.
본 발명에 이러한 연료전지시스템, 연료전지운전방법, 프로그램, 및 기록매체는, 연료전지의 발전 이상의 원인에 따라서 신뢰성이 높은 대처를 할 수 있어, 유용하다.

Claims (45)

  1. 발전을 위해 운전이 행하여지는 연료전지에 대한 부하전류를 변동시키는 부하전류변동수단과,
    상기 부하전류의 변동에 대한 전압응답에 관한 측정을 하는 측정수단과,
    상기 전압응답에 관한 측정의 결과에 기초하여, 상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산을 하는 계산수단과,
    상기 임피던스에 관한 계산의 결과를 이용하여, 상기 연료전지의 운전의 조건을 변화시키는 연료전지제어수단을 구비한 연료전지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지의 셀을, 직렬로 접속된, (1)저항값 Rs의 저항과, (2)상기 셀의 애노드의 반응임피던스에 해당하는, 병렬로 접속된 용량값 C1의 콘덴서 및 저항값 R1의 저항과, (3)상기 셀의 캐소드의 반응임피던스에 해당하는, 병렬로 접속된 용량값 C2의 콘덴서 및 저항값 R2의 저항과, (4)상기 셀의 캐소드의 확산임피던스에 해당하는, 병렬로 접속된 용량값 C3의 콘덴서 및 저항값 R3의 저항을 갖는 등가회로로 나타낸 경우,
    상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산이란, 상기 용량값 C1, 상기 저항값 R1, 상기 용량값 C2, 상기 저항값 R2, 상기 용량값 C3및 상기 저항값 R3의 계산인연료전지시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1과 상기 저항값 R1의 쌍(C1, R1)이, 상기 용량값 C1에 관한 가로축과 상기 저항값 R1에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수(定數) a1 (L), 정수(定數) b1 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 1]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 에어블리드(air bleed)량이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 에어블리드량이 늘어나더라도, 상기 쌍(C1, R1)가 상기 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생하여, 상기 연료전지의 운전이 정지되는 연료전지시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1과 상기 저항값 R1의 쌍(C1, R1)이, 상기 용량값 C1에 관한 가로축과 상기 저항값 R1에 관한세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수(定數) a1 (U), 정수(定數) b1 (U)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 2]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 에어블리드량이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1과 상기 저항값 R1의 쌍(C1, R1)이, 상기 용량값 C1에 관한 가로축과 상기 저항값 R1에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수(定數) c1 (L), 정수(定數) d1 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 3]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 연료가스이용률이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 c1 (L), 상기 정수 d1 (L)에 덧붙여, 정수 a1 (L), 정수 b1 (L), 정수 a1 (U), 정수 b1 (U)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 4]
    인 연료전지시스템.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1과 상기 저항값 R1의 쌍(C1, R1)가, 상기 용량값 C1에 관한 가로축과 상기 저항값 R1에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수(定數) c1 (U), 정수(定數) d1 (U)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 5]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 연료가스 이용률이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 c1 (U), 정수 d1 (U)에 덧붙여, 정수 a1 (L), 정수 b1 (L), 정수 a1 (U), 정수 b1 (U)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 6]
    인 연료전지시스템.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C2과 상기 저항값 R2의 쌍(C2, R2)이, 상기 용량값 C2에 관한 가로축과 상기 저항값 R2에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 a2 (L), 정수 b2 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 7]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 있어서의 캐소드전극촉매에 관한 소정의 리커버리(Recovery)이 행하여지도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 소정의 리커버리가 행하여지고 나서 소정의 시간이지났을 때에도, 상기 쌍(C2, R2)이 상기 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생하여, 상기 연료전지의 운전이 정지되는 연료전지시스템.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C2와 상기 저항값 R2의 쌍(C2, R2)이, 상기 용량값 C2에 관한 가로축과 상기 저항값 R2에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c2 (L), 정수 d2 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 8]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 가습량이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 c2 (L), 정수 d2 (L)에 덧붙여, 정수 a2 (L), 정수 b2 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 9]
    인 연료전지시스템.
  14. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C2와 상기 저항값 R2의 쌍(C2, R2)이, 상기 용량값 C2에 관한 가로축과 상기 저항값 R2에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c2 (U), 정수 d2 (U)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 10]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 가습량이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 c2 (U), 정수 d2 (U)에 덧붙여, 정수 a2 (L), 정수 b2 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 11]
    인 연료전지시스템.
  16. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C3과 상기 저항값 R3의 쌍(C3, R3)이, 상기 용량값 C3에 관한 가로축과 상기 저항값 R3에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 a3 (L), 정수 b3 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 12]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 a3 (L), 정수 b3 (L)에 덧붙여, 정수 c3 (L), 정수 d3 (L), 정수 c3 (U), 정수 d3 (U)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 13]
    인 연료전지시스템.
  18. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C3과 상기 저항값 R3의 쌍(C3, R3)이, 상기 용량값 C3에 관한 가로축과 상기 저항값 R3에 관한세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 a3 (U), 정수 b3 (U)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 14]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 소정의 영역이란, 상기 정수 a3 (U), 정수 b3 (U)에 덧붙여, 정수 c3 (L), 정수 d3 (L), 정수 c3 (U), 정수 d3 (U)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 15]
    인 연료전지시스템.
  20. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C3과 상기 저항값 R3의 쌍(C3, R3)이, 상기 용량값 C3에 관한 가로축과 상기 저항값 R3에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c3 (L), 정수 d3 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 16]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 산화제가스이용률이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  21. 제 2 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C3과 상기 저항값 R3의 쌍(C3, R3)이, 상기 용량값 C3에 관한 가로축과 상기 저항값 R3에 관한 세로축을 갖는 좌표평면에 있어서의, 정수 c3 (L), 정수 d3 (L)에 의해서 정의되는 영역
    [수식 17]
    에 포함되는 소정의 영역에 들어가 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 산화제가스이용률이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 산화제가스이용률이 소정의 회수를 초과하여 줄어든 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생시켜져서, 상기 연료전지의 운전이 상기 산화제가스이용률이 줄어든 채로 계속되는 연료전지시스템.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지의 셀을, 직렬로 접속된, (1)병렬로 접속된, 애노드의 전기 2중층 용량에 해당하는 용량값 C1'의 콘덴서 및 애노드의 반응저항에 해당하는 저항값 R1'의 저항과, (2)병렬로 접속된, (2a)캐소드의 전기 2중층용량에 해당하는 용량값 C2'의 콘덴서, 및 (2b)직렬로 접속된, 캐소드의 반응저항에 해당하는 저항값 R2'의 저항, 및 캐소드의 확산저항에 해당하는 저항값 W2R'을 갖는 월블루그저항과, (3)고분자막의 저항에 해당하는 저항값 R3'의 저항을 갖는 등가회로로 나타낸 경우,
    상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산이란, 상기 용량값 C1', 상기 저항값 R1', 상기 용량값 C2', 상기 저항값 R2' ,상기 저항값 W2R' 및 상기 저항값 R3'의 계산인 연료전지시스템.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1'가, 소정의 하한용량값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 에어블리드량이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 에어블리드량이 늘어나더라도, 상기 용량값 C1'이 상기 소정의 하한용량값을 밑돌고 있는 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생되어, 상기 연료전지의 운전이 정지되는 연료전지시스템.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C1'이, 소정의 상한용량값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 에어블리드량이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R1'이, 소정의 하한저항값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 연료가스이용률이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  28. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R1'이, 소정의 상한저항값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 연료가스에 관한 연료가스이용률이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  29. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 용량값 C2'가, 소정의 하한용량값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 있어서의 캐소드전극촉매에 관한 소정의 리커버리가 행하여지도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 소정의 리커버리가 행하여지고 나서 소정의 시간이지났을 때에도, 상기 용량값 C2'가, 상기 소정의 하한용량값을 밑돌고 있는 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생되어, 상기 연료전지의 운전이 정지되는 연료전지시스템.
  31. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R2'가, 소정의 하한저항값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 가습량이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  32. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R2'가, 소정의 상한저항값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 가습량이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  33. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 W2R'이, 소정의 하한저항값을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 산화제가스이용률이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  34. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 W2R'이, 소정의 상한저항값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 소정의 산화제가스에 관한 산화제가스이용률이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 산화제가스이용률이 소정의 회수를 초과하여 줄어든 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 줄어들도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 소정의 회수를 초과하여 감소된 경우에는, 소정의 경고가 외부에 대하여 발생되어, 상기 연료전지의 운전이 상기 산화제가스이용률이 더욱 감소된 후에 계속되는 연료전지시스템.
  37. 제 23 항에 있어서, 상기 연료전지의 운전의 조건은, 상기 저항값 R3'이, 소정의 상한저항값을 웃돌고 있는 경우에는, 상기 연료전지에 공급되는 냉각수의 수량이 늘어나도록 변화시켜지는 연료전지시스템.
  38. 제 1 항에 있어서, 상기 부하전류는, 상기 연료전지가 출력하는 직류전류에 중첩되는 교류전류이고, 상기 부하전류를 변동시킨다는 것은, 상기중첩되는 교류전류의 주파수를 변동시키는 것이고,
    상기 임피던스에 관한 계산은, 상기 주파수가 변동시켜지는 교류전류의 복수의 주파수에 있어서의 상기 연료전지의 임피던스의 계산결과에 기초하여 행하여지는 연료전지시스템.
  39. 제 1 항에 있어서, 상기 부하전류를 변동시킨다는 것은, 상기 부하전류의 전류값을 스텝형상에 변동시키는 것이고,
    상기 임피던스에 관한 계산은, 상기 전류값이 스텝형상으로 변동시켜지는 부하전류의 시간함수를 퓨리에변환함에 의해 얻어지는 주파수함수 및 상기 부하전류의 변동에 대한 전압응답의 시간함수를 퓨리에변환함에 의해 얻어지는 주파수함수에 기초하여 행하여지는 연료전지시스템.
  40. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지는, 복수의 셀을 갖고,
    상기 측정수단은, 상기 전압응답에 관한 측정을 상기 셀마다 행하고,
    상기 계산수단은, 상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산을 상기 셀마다 행하고,
    상기 연료전지제어수단은, 상기 연료전지의 운전의 조건을 상기 셀마다 변화시키는 연료전지시스템.
  41. 제 40 항에 있어서, 상기 부하전류변동수단에 상기 복수의 셀을 전기적으로 접속하기 위한 제 1 배선과,
    상기 측정수단에 상기 복수의 셀을 전기적으로 접속하기 위한 제 2 배선과,
    상기 복수의 셀과 상기 제 1 배선과의 전기적인 접속을 행할지 여부의 전환, 및 상기 복수의 셀과 상기 제 2 배선과의 전기적인 접속을 행할지 여부의 전환을 하기 위한, 상기 셀마다 설정된 복수의 접속수단과,
    소정의 제어신호를 이용하여 상기 복수의 접속수단을 제어하기 위한 접속수단 제어수단을 더욱 구비한 연료전지시스템.
  42. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지는, 직교변환용 인버터에 대하여 직렬로 접속되어 있는 연료전지시스템.
  43. 발전을 위해 운전이 행하여지는 연료전지에 대한 부하전류를 변동시키는 부하전류변동스텝과,
    상기 부하전류의 변동에 대한 전압응답에 관한 측정을 하는 측정스텝과,
    상기 전압응답에 관한 측정의 결과에 기초하여, 상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산을 하는 계산 스텝과,
    상기 임피던스에 관한 계산의 결과를 이용하여, 상기 연료전지의 운전의 조건을 변화시키는 연료전지 제어스텝을 구비한 연료전지 운전방법.
  44. 제 43 항 기재의 연료전지 운전방법의, 발전을 위해 운전이 행하여지는 연료전지에 대한 부하전류를 변동시키는 부하전류 변동스텝과, 상기 전압응답에 관한 측정의 결과에 기초하여, 상기 연료전지의 임피던스에 관한 계산을 하는 계산스텝과, 상기 임피던스에 관한 계산의 결과를 이용하여, 상기 연료전지의 운전의 조건을 변화시키는 연료전지 제어스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램.
  45. 제 44 항 기재의 프로그램을 저장한 기록매체로서, 컴퓨터에 의해 처리가능한 기록매체.
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