JP5337908B2 - 燃料電池システム、燃料電池の制御方法、および、燃料電池の判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム、燃料電池の制御方法、および、燃料電池の判定方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池またはその補機は、発電を継続にするにつれて劣化することがある。燃料電池または補機の劣化は外見では判定しにくいため、燃料電池の出力から劣化を判定できることが好ましい。例えば、特許文献１は、改質器の出力（改質ガス）に基づいて改質器の劣化を判定する技術を開示している。

国際公開第２００５／０１８０３５号

しかしながら、特許文献１の技術では、燃料電池の劣化または補機の異常を判定することはできない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の劣化または補機の異常を簡易に判定することができる燃料電池システム、燃料電池の制御方法、および、燃料電池の判定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池への入力値の振幅値を取得する入力振幅値取得部と、燃料電池からの出力値の振幅値を取得する出力振幅値取得部と、入力振幅値取得部が取得した入力値の振幅値と出力振幅値取得部が取得した出力値の振幅値との比較に基づいて、燃料電池の運転条件を変更する運転条件変更部と、を備え、運転条件変更部は、入力値の振幅値と出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、燃料電池の定格出力を低下させる、または、燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方の供給量を増加させ、燃料電池への入力値として、改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスを生成し燃料電池のアノードに供給する改質器に供給される原燃料量を用い、燃料電池からの出力値として、燃料電池の発電電力、発電電流および発電電圧の少なくともいずれか１つ、または燃料電池のアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させた場合の排気ガス中の酸素濃度を用いることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の入出力を用いて燃料電池の劣化を簡易に判定することができる。その結果、燃料電池の劣化に応じて運転条件を変更することができる。

入力値の振幅値と出力値の振幅値との比較において、入力値および出力値の標準偏差を用いてもよい。入力値の振幅値と出力値の振幅値との比較において、入力値および出力値の標準偏差の移動平均値を用いてもよい。

本発明に係る他の燃料電池システムは、燃料電池への入力値の振幅値を取得する入力振幅値取得部と、燃料電池からの出力値の振幅値を取得する出力振幅値取得部と、入力振幅値取得部が取得した入力値の振幅値と出力振幅値取得部が取得した出力値の振幅値との比較に基づいて、燃料電池の劣化判定を行う劣化判定部と、を備え、劣化判定部は、入力値の振幅値と出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、燃料電池が劣化していると判定し、燃料電池への入力値として、改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスを生成し燃料電池のアノードに供給する改質器に供給される原燃料量を用い、燃料電池からの出力値として、燃料電池の発電電力、発電電流および発電電圧の少なくともいずれか１つ、または燃料電池のアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させた場合の排気ガス中の酸素濃度を用いることを特徴とするものである。本発明に係る他の燃料電池システムによれば、燃料電池の入出力を用いて燃料電池の劣化を簡易に判定することができる。

本発明に係る他の燃料電池システムは、反応ガスを燃料電池セルに供給するために必要とされる流体の供給量を制御するための供給量制御装置と、燃料電池セルからのオフガスを燃焼させる燃焼室の温度、燃焼室から排出される排気ガス中の酸素濃度、燃料電池セルのアノードに供給される燃料ガスの圧力または燃料電池セルの出力を検出するセンサと、供給量制御装置への制御指令値に所定の周期および振幅の付加信号を重畳する重畳部と、付加信号が制御指令値に重畳された場合に、制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係を判定する判定部と、を備え、判定部は、制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との比の、基準値からの乖離度が所定値を上回るか下回るかいずれかの場合に、供給量制御装置およびセンサのいずれかに異常が生じていると判定し、判定部は、制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との比を求める際に、制御指令値の振幅の標準偏差およびセンサの検出値の振幅の標準偏差を用いることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、センサの検出値のバラツキ、誤差などの影響を回避して、補機に異常が生じているか否かを判定することができる。

供給量制御装置は、燃料ガスを生成するための改質器に供給される原燃料の供給量を制御する装置であり、センサは、燃焼室の温度を検出する温度センサ、および、燃焼室から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサであってもよい。

重畳部は、制御指令値に、振幅の小さい第１付加信号および振幅の大きい第２付加信号を重畳してもよい。供給量制御装置およびセンサのいずれかに異常が生じていると判定された場合に、警報を報知する報知手段をさらに備えていてもよい。供給量制御装置およびセンサのいずれかに異常が生じていると判定された場合に、燃料電池セルの発電負荷を低下させる運転条件変更部をさらに備えていてもよい。

本発明に係る燃料電池の制御方法は、燃料電池への入力値の振幅値を取得する入力振幅値取得ステップと、燃料電池からの出力値の振幅値を取得する出力振幅値取得ステップと、入力振幅値取得ステップにおいて取得した入力値の振幅値と出力振幅値取得ステップにおいて取得した出力値の振幅値との比較に基づいて、燃料電池の運転条件を変更する運転条件変更ステップと、を含み、運転条件変更ステップにおいて、入力値の振幅値と出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、燃料電池の定格出力を低下させる、または、燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方の供給量を増加させ、燃料電池への入力値として、改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスを生成し燃料電池のアノードに供給する改質器に供給される原燃料量を用い、燃料電池からの出力値として、燃料電池の発電電力、発電電流および発電電圧の少なくともいずれか１つ、または燃料電池のアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させた場合の排気ガス中の酸素濃度を用いることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の制御方法によれば、燃料電池の入出力を用いて燃料電池の劣化を簡易に判定することができる。その結果、燃料電池の劣化に応じて運転条件を変更することができる。

本発明に係る燃料電池の判定方法は、燃料電池への入力値の振幅値を取得する入力振幅値取得ステップと、燃料電池からの出力値の振幅値を取得する出力振幅値取得ステップと、入力振幅値取得ステップにおいて取得した入力値の振幅値と出力振幅値取得ステップにおいて取得した出力値の振幅値との比較に基づいて、燃料電池の劣化判定を行う劣化判定ステップと、を含み、劣化判定ステップにおいて、入力値の振幅値と出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、燃料電池が劣化していると判定し、燃料電池への入力値として、改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスを生成し燃料電池のアノードに供給する改質器に供給される原燃料量を用い、燃料電池からの出力値として、燃料電池の発電電力、発電電流および発電電圧の少なくともいずれか１つ、または燃料電池のアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させた場合の排気ガス中の酸素濃度を用いることを特徴とするものである。本発明に係る他の燃料電池の判定方法によれば、燃料電池の入出力を用いて燃料電池の劣化を簡易に判定することができる。

本発明に係る燃料電池の判定方法は、反応ガスを燃料電池セルに供給するために必要とされる流体の供給量を制御するための供給量制御装置への制御指令値に所定の周期および振幅の付加信号を重畳する重畳ステップと、重畳ステップで付加信号が制御指令値に重畳された場合に、制御指令値の振幅と、燃料電池セルからのオフガスを燃焼させる燃焼室の温度、燃焼室から排出される排気ガス中の酸素濃度、燃料電池セルのアノードに供給される燃料ガスの圧力または燃料電池セルの出力を検出するセンサの検出値の振幅との関係を判定する判定ステップと、を含み、判定ステップにおいて、制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との比の、基準値からの乖離度が所定値を上回るか下回るかいずれかの場合に、供給量制御装置およびセンサのいずれかに異常が生じていると判定し、判定ステップにおいて、制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との比を求める際に、制御指令値の振幅の標準偏差およびセンサの検出値の振幅の標準偏差を用いることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の判定方法においては、センサの検出値のバラツキ、誤差などの影響を回避して、補機に異常が生じているか否かを判定することができる。

本発明によれば、燃料電池の劣化または補機の異常を簡易に判定することができる燃料電池システム、燃料電池の制御方法、および、燃料電池の判定方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 燃料電池を構成する単セルの断面を含む部分斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は燃料電池のアノード圧力と発電電流との関係を示す図である。 燃料電池の劣化を判定する場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。 燃料電池の入力値の振幅値と出力値の振幅値との比較の具体例を示すフローチャートの一例を示す図である。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 燃料電池の劣化を判定する場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。 第３の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 燃料電池が備える燃料電池スタックを説明するための斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は燃料電池の全体構成を示す斜視図である。 供給量制御装置に対する制御指令値の一例として原燃料ポンプの駆動電圧を示し、センサの検出値として電流センサが検出する発電電流値および温度センサが検出する温度値を示す図である。 制御指令値および付加信号の例を示す図である。 供給量制御装置に対する制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係を取得する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。 自己診断指標演算処理の詳細を示すフローチャートの一例である。 燃料電池の累積発電時間が所定時間を超えた場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。 図１５のフローチャートの実行タイミングを判定する際に実行されるフローチャートの一例である。 いずれの補機に異常が生じているかを特定する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の実施形態）

図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃焼室６０、燃料電池７０、および熱交換器９０を備える。また、燃料電池システム１００は、センサ部として、電圧センサ８１、電流センサ８２、酸素濃度センサ８３、および圧力センサ８４を備える。

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、インタフェース等から構成され、入出力ポート１１、ＣＰＵ１２、記憶部１３等を含む。入出力ポート１１は、制御部１０と各機器とのインタフェースである。記憶部１３は、ＣＰＵ１２が実行するためのプログラムを記憶するＲＯＭ、演算に用いる変数等を記憶するＲＡＭ等を含むメモリである。

原燃料供給部２０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための改質水ポンプ３２等を含む。酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池７０のカソード７１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。燃料電池７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された構造を有する。

図２は、燃料電池７０を構成する燃料電池セル７４の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル７４は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体２１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路２２が形成されている。導電性支持体２１の外周面における一方の平面上に、燃料極２３、固体電解質２４、および酸素極２５がこの順に積層されている。酸素極２５に対向する他方の平面上には、接合層２６を介してインターコネクタ２７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層２８が設けられている。燃料極２３が図１のアノード７２として機能し、酸素極２５が図１のカソード７１として機能し、固体電解質２４が図１の電解質７３として機能する。なお、燃料電池７０は、図２に示す燃料電池セル７４が複数積層されたスタック構造を有していてもよい。

燃料ガス通路２２に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極２３に水素が供給される。一方、燃料電池セル７４の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極２５に酸素が供給される。それにより、酸素極２５及び燃料極２３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

酸素極２５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質２４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質２４は、酸素極２５から燃料極２３へ酸素イオンＯ^２−を移動させる機能を有する。固体電解質２４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質２４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極２３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ２７は、燃料電池セル７４同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。

例えば、酸素極２５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質２４は、イオン導電性の高いＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極２３は、電子導電性の高いＮｉとＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ２７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ_３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。

続いて、図１を参照しつつ、燃料電池システム１００の発電時の動作の概要を説明する。原燃料供給部２０は、制御部１０の指示に従って必要量の原燃料ガスを改質器５０に供給する。改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って必要量の改質水を改質器５０に供給する。改質水は、燃焼室６０における燃焼熱を利用して、気化部５１において気化して水蒸気となる。改質部５２においては、燃焼室６０の燃焼熱を利用した水蒸気改質反応が生じる。それにより、改質部５２において、水素を含む燃料ガスが生成される。改質部５２において生成された燃料ガスは、燃料電池７０のアノード７２に供給される。

酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０の指示に従って必要量の酸化剤ガスを燃料電池７０のカソード７１に供給する。それにより、燃料電池７０において発電が行われる。カソード７１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード７２から排出された燃料オフガスは、燃焼室６０に流入する。燃焼室６０においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池７０に与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６０において燃焼させることができる。熱交換器９０は、燃焼室６０から排出された排気ガスと熱交換器９０内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。

電圧センサ８１は、燃料電池７０の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。燃料電池７０がスタック構造を有する場合には、電圧センサ８１は、スタック全体の発電電圧を検出してもよく、スタックの一部の単セルの発電電圧を検出してもよい。電流センサ８２は、燃料電池７０の発電電流を検出し、その検出結果を制御部１０に与える、酸素濃度センサ８３は、燃焼室６０から排出された排気ガス中の酸素濃度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。圧力センサ８４は、燃料電池７０のアノード７２に供給される燃料ガスの圧力を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。本実施形態においては、アノード圧力として、改質器５０内のガス圧力を検出する。圧力センサ８４は、原燃料供給部２０から燃料電池７０のアノード７２までの配管のいずれの箇所に設けられていてもよい。

制御部１０は、各センサの検出結果に基づいて、燃料電池７０の劣化判定を行い、その判定結果に基づいて燃料電池７０の運転条件を変更する。したがって、制御部１０が運転条件変更部として機能する。以下、燃料電池７０の劣化の判定について説明する。なお、燃料電池７０の劣化とは、例えば、燃料電池７０を構成する部材が経年変化した場合等のことをいう。

燃料電池７０の性能が良好であれば、燃料電池７０への何らかの入力値の振幅は吸収され、所期の性能が実現される。すなわち、健全な燃料電池７０は、入力値の平均値が所定値を満足していれば、一時的に比較的微小な入力値不足が生じてもそれ以前の比較的余裕がある入力値の時に蓄積された過剰分を放出して出力値を補償する。したがって、出力値の変動は小さい。このように、健全な燃料電池７０は、バッファ機能を有している。しかしながら、燃料電池７０の劣化が進行するに従って、燃料電池７０への入力値の振幅が吸収されなくなり、燃料電池７０の出力値の振幅が大きくなる。以上のことから、この現象を利用して、燃料電池７０の劣化を判定することができる。

例えば、燃料電池７０への入力値として、燃料電池７０に供給される反応ガス量、反応ガス圧力等を用いることができる。反応ガス量として、燃料電池７０に供給される燃料ガス量および酸化剤ガス量の少なくともいずれか一方を用いることができる。改質器５０に供給される原燃料量によって燃料ガス量が決定されるので、原燃料量から反応ガス量を導くこともできる。例えば、原燃料タンクから改質器５０に供給される原燃料量を用いてもよく、都市ガス配管から改質器５０に供給される原燃料量を用いてもよい。反応ガス圧力として、アノード圧力およびカソード圧力の少なくともいずれか一方を用いてもよい。

ただし、ランニングコストの観点から、酸化剤ガスとしてエアを用いることが多い。エアには酸素以外の成分が多く含まれることから、発電時において、燃料ガスに比べて多量の酸化剤ガスを必要とする。この場合、燃料電池７０の出力値に対する酸化剤ガス量または圧力の影響が、燃料ガスに比較して小さくなる。したがって、燃料電池７０への入力値として、アノード圧力または燃料ガス量を用いることが好ましい。

なお、反応ガス量を変動させようとすると、アクチュエータ等の作動回数を増加させる必要がある。この場合、アクチュエータの耐久性を考慮する必要がある。したがって、燃料電池７０の入力値として、反応ガス量に比較して反応ガス圧力を用いることが好ましい。なお、改質水の気化によって生じる水蒸気を用いた水蒸気改質反応を生じさせる改質器を備えている場合には、改質水の突沸を利用することができる。この場合、アノード圧力を容易に変動させることができる。したがって、改質水の気化によって生じる水蒸気を利用する改質器を備えていることが好ましい。

また、燃料電池７０の出力値として、燃料電池７０の発電電流、発電電圧もしくは発電電力を用いることができる。この場合、燃料電池７０の発電状態を直接的に指標として用いることができる。なお、燃料電池７０におけるガス分配悪化に伴う性能劣化を発電状態で検出するのは比較的困難である。特に、燃料電池７０の低負荷運転時においては、燃料電池７０の性能劣化を発電状態で検出するのは困難である。しかしながら、ガス分配が悪化した場合には、アノードオフガスにもばらつきが生じる。例えば、ガス分配悪化に伴ってアノードオフガスが欠乏すれば、燃焼室６０において失火し、排気ガス中の酸素濃度が上昇する。したがって、ガス分配悪化等を考慮すれば、燃料電池７０の出力値として、排気ガス中の酸素濃度を用いることもできる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、燃料電池７０のアノード圧力と発電電流との関係を示す図である。図３（ａ）は、劣化していない燃料電池７０の結果を示す。図３（ｂ）は、劣化が進行した燃料電池７０の結果を示す。図３（ａ）および図３（ｂ）において、横軸は、経過時間を示し、縦軸は、アノード圧力、発電電流、および劣化判定指標を示す。図３（ａ）および図３（ｂ）においては、劣化判定指標として、発電電流変動／アノード圧力変動を用いている。

図３（ａ）に示すように、劣化していない燃料電池７０においては、アノード圧力が変動しても発電電流はほとんど変動していない。したがって、図３（ａ）の例では、アノード圧力の振幅値と発電電流の振幅値との差が大きくなっている。これに対して、図３（ｂ）に示すように、劣化した燃料電池７０においては、アノード圧力の変動に合わせて、発電電流も大きく変動している。したがって、図３（ｂ）の例では、アノード圧力の振幅値と発電電流の振幅値との差が小さくなっている。燃料電池７０のその他の入力値および出力値に着目しても、図３（ａ）および図３（ｂ）と同様の結果が得られる。したがって、燃料電池７０の入力値の振幅値と出力値の振幅値とを用いて、燃料電池７０の劣化を判定することができる。

図４は、燃料電池７０の劣化を判定する場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。まず、ＣＰＵ１２は、燃料電池７０への入力値を取得する（ステップＳ１）。次に、ＣＰＵ１２は、燃料電池７０からの出力値を取得する（ステップＳ２）。次いで、ＣＰＵ１２は、入力値の振幅値と出力値の振幅値とを比較する（ステップＳ３）。

次に、ＣＰＵ１２は、ステップＳ３の比較の結果が所定の条件を満足するか否かを判定する（ステップＳ４）。なお、ステップＳ４において、複数種類の入力値および複数種類の出力値が同時に所定の条件を満足するか否かを判定してもよい。この場合、劣化の判定精度が向上する。ステップＳ４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、燃料電池７０の運転条件を変更する（ステップＳ５）。その後、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。また、ステップＳ４において「Ｎｏ」と判定された場合にも、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。図４のフローチャートによれば、燃料電池７０の劣化に応じた適切な運転条件を設定することができる。

例えば、燃料電池７０の最大発電電力は、劣化に伴って低下することがある。そこで、燃料電池７０の定格出力を引き下げることによって、燃料電池７０に過度の負荷がかかることを回避することができる。また、改質器５０から燃料電池７０に供給される燃料ガス量および酸化剤ガス供給部４０から燃料電池７０に供給される酸化剤ガス量の少なくともいずれか一方を増量してもよい。この場合、劣化に伴って不足する発電電力を補うことができる。

続いて、燃料電池７０の入力値の振幅値と出力値の振幅値との比較の具体例について説明する。例えば、図３（ａ）および図３（ｂ）の結果からすれば、入力値の振幅値と出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、燃料電池７０が劣化していると判定することができる。この場合の振幅値として、所定期間の振幅の平均値を用いてもよく、特定の波形の振幅（例えば、最大振幅）を用いてもよい。

なお、振幅値同士の比較が困難な場合においては、各振幅値の乗算値または除算値を用いてもよい。例えば、上記劣化判定指標を用いてもよい。図３（ａ）の例では発電電流がほとんど変動していないため、劣化判定指標もほとんど検出されていない。これに対して、図３（ｂ）の例では発電電流もアノード圧力変動に合わせて変動しているため、劣化判定指標が大きくなっている。したがって、劣化判定指標が所定値以上になった場合に、燃料電池７０が劣化していると判定することができる。

図５は、燃料電池７０の入力値の振幅値と出力値の振幅値との比較の具体例を示すフローチャートの一例を示す図である。図５のフローチャートは、周期的に実行され、例えば、１秒ごとに実行される。まず、ＣＰＵ１２は、電圧センサ８１および電流センサ８２の検出結果に基づいて、燃料電池７０の発電電力Ｐ＿ｆｃを取得し、記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１１）。

次に、ＣＰＵ１２は、発電過渡状態判定指標σ（Ｐ＿ｆｃ）を算出して記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１２）。発電過渡状態判定指標σ（Ｐ＿ｆｃ）は、燃料電池７０に要求される発電電力が変更されたか否かを判定するための指標である。発電過渡状態判定指標σ（Ｐ＿ｆｃ）として、例えば、発電電力Ｐ＿ｆｃの標準偏差の移動平均値を用いることができる。上記移動平均値は、下記式（１）のように表すことができる。なお、標準偏差は、記憶部１３に記憶された発電電力Ｐ＿ｆｃに基づいて算出されたものであり、例えば、直近で記憶された５０個程度の発電電力Ｐ＿ｆｃから算出されたものである。また、下記式（１）右辺の各係数は、下記に限られるものではない。なお、「前回」とは、前回のフローチャートの実行時のことであり、「今回」とは、今回のフローチャートの実行時のことである。
σ（Ｐ＿ｆｃ） ＝ １／４・[前回のσ（Ｐ＿ｆｃ）] ＋ ３／４・[今回の標準偏差] （１）

次に、ＣＰＵ１２は、圧力センサ８４の検出結果に基づいて、アノード圧力Ｐ＿ａｎｄを取得し、記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１３）。次に、ＣＰＵ１２は、アノード圧力Ｐ＿ａｎｄの標準偏差σ（Ｐ＿ａｎｄ）を算出し、記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１４）。標準偏差σ（Ｐ＿ａｎｄ）は、記憶部１３に記憶されたアノード圧力Ｐ＿ａｎｄに基づいて算出されたものであり、例えば、直近で得られた５０個程度のアノード圧力Ｐ＿ａｎｄから算出されたものである。

次に、ＣＰＵ１２は、電流センサ８２の検出結果に基づいて、燃料電池７０の発電電流Ｉ＿ｆｃを取得し、記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１５）。次に、ＣＰＵ１２は、発電電流Ｉ＿ｆｃの標準偏差σ（Ｉ＿ｆｃ）を算出し、記憶部１３に記憶させる（ステップＳ１６）。標準偏差σ（Ｉ＿ｆｃ）は、記憶部１３に記憶された発電電流Ｉ＿ｆｃに基づいて算出されたものであり、例えば、直近で得られた５０個程度の発電電流Ｉ＿ｆｃから算出されたものである。

次に、ＣＰＵ１２は、標準偏差σ（Ｐ＿ａｎｄ）が標準偏差σ（Ｐ＿ａｎｄ）の判定値σ（Ｐ＿ａｎｄ）＿ｒｅｆを上回っているか否かを判定する（ステップＳ１７）。判定値σ（Ｐ＿ａｎｄ）＿ｒｅｆは、特に限定されるものではないが、例えば０．０１程度に設定される。ステップＳ１７において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、下記式（２）に従って、ｄｅｔ＿ｆｃを算出する（ステップＳ１８）。ステップＳ１７において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、ｄｅｔ＿ｆｃをゼロに設定する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９の実行によって、アノード圧力の変動が小さい場合にｄｅｔ＿ｆｃが大きくなることが回避される。それにより、劣化の誤判定が回避される。
ｄｅｔ＿ｆｃ ＝ σ（Ｉ＿ｆｃ）／σ（Ｐ＿ａｎｄ） （２）

ステップＳ１８またはステップＳ１９の実行後、ＣＰＵ１２は、劣化判定指標χ（ｄｅｔ＿ｆｃ）を算出する（ステップＳ２０）。劣化判定指標χ（ｄｅｔ＿ｆｃ）は、上記のｄｅｔ＿ｆｃのそのままの値でもよいが、本フローチャートではｄｅｔ＿ｆｃの移動平均値とする。劣化判定指標χ（ｄｅｔ＿ｆｃ）は、例えば、下記式（３）のように表すことができる。なお、下記式（３）右辺の各係数は、下記に限られるものではない。
χ（ｄｅｔ＿ｆｃ）＝３１／３２・[前回のχ（ｄｅｔ＿ｆｃ）]＋１／３２・[今回のｄｅｔ＿ｆｃ] （３）

次に、ＣＰＵ１２は、発電過渡状態判定指標σ（Ｐ＿ｆｃ）が判定値σ（Ｐ＿ｆｃ）＿ｒｅｆ未満であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。判定値σ（Ｐ＿ｆｃ）＿ｒｅｆは、特に限定されるものではないが、例えば、「２」程度に設定される。ステップＳ２１において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。この場合、燃料電池７０の発電状態が過渡期における燃料電池７０の劣化判定が回避される。それにより、燃料電池７０の劣化の誤判定が回避される。

ステップＳ２１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、劣化判定指標χ（ｄｅｔ＿ｆｃ）が判定値χ（ｄｅｔ＿ｆｃ）＿ｒｅｆを上回っているか否かを判定する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、劣化判定カウンタｎに「１」を加える（ステップＳ２３）。次に、ＣＰＵ１２は、劣化判定カウンタｎが判定値ｎ＿ｒｅｆを上回っているか否かを判定する（ステップＳ２４）。判定値ｎ＿ｒｅｆは、特に限定されるものではないが、例えば「１２０」程度に設定される。なお、本フローチャートが１秒ごとに実行されていれば、判定値ｎ＿ｒｅｆ＝１２０は、２分間を意味する。ステップＳ２４は、劣化判定指標χ（ｄｅｔ＿ｆｃ）が判定値χ（ｄｅｔ＿ｆｃ）＿ｒｅｆを所定期間上回る場合にのみ劣化と判定することによって、誤判定を回避するためのステップである。

ステップＳ２４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、燃料電池７０の運転条件を変更する（ステップＳ２５）。その後、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ２４において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、ステップＳ２５を実行せずにフローチャートの実行を終了する。また、ステップＳ２２において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、劣化判定カウンタｎをゼロに設定し（ステップＳ２５）、その後にフローチャートの実行を終了する。

なお、ステップＳ１４のｎ＞ｎ＿ｒｅｆを満足しない場合であっても、例えば１００回以上のカウントが３回以上計測された場合等には、記憶部１３はその履歴を隠しコードとして記憶していてもよい。この場合、定期点検時等の際に記憶部１３に隠しコードとして上記履歴が記憶されていた場合に、通常点検よりも厳密な点検を行う等の処置を施すことができる。

図５のフローチャートによれば、燃料電池７０の入力値の振幅値と出力値の振幅値との比較に応じて、燃料電池７０の運転条件を変更することができる。また、比較の際の誤判定を抑制することができる。なお、図５のフローチャートでは、燃料電池７０への入力値としてアノード圧力を用い、燃料電池７０の出力値として発電電流を用いたが、それに限定されるものではない。例えば、上述したように、燃料電池７０への入力値として、燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、酸化剤ガス圧力等を用いてもよい。また、燃料電池７０の出力値として、発電電力、発電電流、発電電圧、排気ガス中の酸素濃度等を用いてもよい。

（第２の実施形態）

燃料電池７０の運転条件を変更することなく、燃料電池７０の劣化を判定してもよい。例えば、定期点検時に劣化を判定する場合には、点検後に燃料電池７０を交換する場合もある。この場合においては、劣化の判定後に燃料電池７０の発電が不要になることがある。したがって、燃料電池７０の交換が必要か否かを判定できればよい。そこで、第２の実施形態においては、運転条件を変更せずに、燃料電池７０の劣化を判定する例について説明する。

図６は、第２の実施形態に係る燃料電池システム１０１の全体構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０１が図１の燃料電池システム１００と異なる点は、表示装置８０をさらに備える点である。例えば、表示装置８０は、燃料電池７０が劣化していると判定された場合に、ユーザ等に点検を促す告知等を表示する。それにより、燃料電池７０の交換等を早期に実施することができる。

図７は、燃料電池７０の劣化を判定する場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。まず、ＣＰＵ１２は、燃料電池７０への入力値を取得する（ステップＳ３１）。次に、ＣＰＵ１２は、燃料電池７０からの出力値を取得する（ステップＳ３２）。次いで、ＣＰＵ１２は、入力値の振幅値と出力値の振幅値とを比較する（ステップＳ３３）。

次に、ＣＰＵ１２は、ステップＳ３３の比較の結果が所定の条件を満足するか否かを判定する（ステップＳ３４）。ステップＳ３４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、ユーザに対する部品交換等の告知を表示装置８０に表示させる（ステップＳ３５）。その後、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。また、ステップＳ３４において「Ｎｏ」と判定された場合にも、ＣＰＵ１２は、フローチャートの実行を終了する。図７のフローチャートによれば、燃料電池７０の劣化に応じて、ユーザに適切な告知を行うことができる。

なお、第１の実施形態および第２の実施形態は、固体高分子型、固体酸化物型、炭酸溶融塩型等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。ただし、固体酸化物型のように高温の反応ガスを用いる燃料電池においては、入力値の振幅が大きくなる。その結果、入力値の振幅値と出力値の振幅値との比較が容易となる。したがって、上記実施形態は、固体酸化物型燃料電池に対して特に有効である。また、第２の実施形態に係る表示装置８０を第１の実施形態に組み入れてもよい。この場合、劣化判定に応じて、運転条件を変更するとともに、燃料電池７０の交換を促すことができる。

（第３の実施形態）

図８は、第３の実施形態に係る燃料電池システム１０２の全体構成を示すブロック図である。図８を参照して、燃料電池システム１０２においては、改質水供給部３０は、改質器５０に供給される改質水の供給量を調整するための調量弁３３を備える。また、原燃料供給部２０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための原燃料ポンプ２０ａ、原燃料中の硫黄成分を除去するための脱硫器２０ｂ等を含む。また、燃焼室６０のいずれかの箇所に配置された温度センサ８５がさらに備わっている。

図９は、燃料電池７０が備える燃料電池スタック７５を説明するための斜視図である。燃料電池スタック７５においては、複数の燃料電池セル７４が互いに集電部材を介して積層されている。各燃料電池セル７４は、燃料極４３と酸素極４５とが対向するように積層されている。なお、図９において、細線矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。

図１０（ａ）は、燃料電池７０の全体構成を示す斜視図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す燃料電池７０の酸化剤ガス導入部材７６を抜粋して示す斜視図である。図１０（ａ）に示すように、燃料電池７０においては、マニホールド７７の上に、２組の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ（燃料電池セル７４）が、互いの積層方向が略並行になるように並列配置されている。燃料電池スタック７５ａ，７５ｂは、固体酸化物形の燃料電池セル７４が複数枚積層された構造を有する。

図１０（ａ）のマニホールド７７には、各燃料電池セル７４の燃料ガス通路４２に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド７７を流動する燃料ガスが燃料ガス通路４２に流入する。改質器５０は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂのマニホールド７７と反対側に配置されている。例えば、改質器５０は、一方の燃料電池スタックの積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタックの積層方向に延びる構造を有する。本実施形態においては、改質器５０における改質水入口側に燃料電池スタック７５ａが配置され、燃料ガス出口側に燃料電池スタック７５ｂが配置されている。

また、図１０（ｂ）に示すように、燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとの間には、酸化剤ガス導入部材７６が配置されている。酸化剤ガス導入部材７６には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材７６のマニホールド７７側端部には、孔７８が形成されている。それにより、各燃料電池セル７４の外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル７４の燃料ガス通路４２を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル７４の外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル７４において発電が行われる。

燃料電池セル７４において発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル７４のマニホールド７７と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃焼室６０は、燃料電池セル７４（燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ）の上端と改質器５０との間において燃料オフガスが燃焼する空間のことをいう。

改質器５０の上流側が気化部５１として機能し、改質器５０の下流側が改質部５２として機能する。図１０（ｃ）に示すように、改質器５０に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、気化部５１においては、改質水が蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部５２においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。

続いて、図８を参照しつつ、燃料電池システム１０２の発電時の動作の概要を説明する。原燃料ポンプ２０ａは、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、必要量の原燃料を脱硫器２０ｂ経由で改質器５０に供給する。なお、原燃料ポンプ２０ａに与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。改質水ポンプ３２は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、必要量の改質水を調量弁３３に供給する。なお、改質水ポンプ３２に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。調量弁３３は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、必要量の改質水を改質器５０に供給する。なお、調量弁３３に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。

酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０から与えられる制御指令値に従って、必要量の酸化剤ガスをカソード７１に供給する。それにより、燃料電池７０において発電が行われる。なお、酸化剤ガス供給部４０に与えられる制御指令値は、記憶部１３に記憶される。

電圧センサ８１は、燃料電池７０に含まれる１枚以上の燃料電池セル７４の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。なお、複数枚の燃料電池セル７４の発電電圧を検出する場合、該複数枚の燃料電池セル７４は、連続していてもよく連続していなくてもよい。また、電圧センサ８１は、燃料電池７０に含まれる全ての燃料電池セル７４の発電電圧を検出してもよい。電圧センサ８１の検出結果は、記憶部１３に記憶される。

温度センサ８５は、燃焼室６０内の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。なお、図１０で説明したように、燃焼室６０は燃料電池スタック７５と改質器５０との間の空間である。燃焼室６０の内の温度を検出することによって、燃料電池スタック７５の温度を検出していると看做し得る。圧力センサ８４は、燃料電池７０のアノード７２に供給される燃料ガスの圧力を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。圧力センサ８４の検出結果は、記憶部１３に記憶される。

制御部１０は、各センサの検出結果に基づいて、燃料電池７０の補機の異常判定を行い、その判定結果を報知装置９１に報知させる。報知装置９１は、ディスプレイなどの表示装置であってもよく、音声発生装置であってもよい。または、制御部１０は、上記判定結果に基づいて燃料電池７０の運転条件を変更する。したがって、制御部１０が判定部として機能するとともに、運転条件変更部として機能する。以下、燃料電池７０の補機の異常判定について説明する。

ここで、燃料電池７０の補機は、必要量の燃料ガスおよび酸化剤ガス（以下、反応ガスと総称する。）を燃料電池７０に供給するために必要となる流体の供給量を制御するための供給量制御装置を含む。本実施形態においては、燃料電池７０に必要量の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部４０が供給量制御装置に含まれる。また、本実施形態においては改質器５０で必要量の燃料ガスを生成するため、必要量の原燃料を改質器５０に供給するための原燃料ポンプ２０ａおよび必要量の改質水を改質器５０に供給るするための調量弁３３も、供給量制御装置に含まれる。なお、改質器の代わりに水素ボンベなどが設けられている場合には、水素ボンベから燃料電池７０に供給される燃料ガス量を制御するための流量制御弁などが供給量制御装置に含まれる。

また、燃料電池７０の補機は、燃料電池７０に供給される反応ガスおよび燃料電池７０から排出される燃料オフガスおよび酸化剤オフガス（以下、反応オフガスと総称する。）の性質を検出するためのセンサ、および、燃料電池７０の出力を検出するためのセンサを含む。燃料電池７０の出力には、電気的出力および熱量が含まれる。本例においては、反応ガスおよび反応オフガスの性質を検出するためのセンサには、温度センサ８５、酸素濃度センサ８３、および圧力センサ８４が含まれる。燃料電池７０の電気的出力を検出するためのセンサには、電圧センサ８１および電流センサ８２が含まれる。また、燃料電池７０の熱量を検出するためのセンサに、温度センサ８５が含まれる。

供給量制御装置は、正常であれば、制御部１０から入力される制御指令値に対応して、誤差の範囲で流体の供給量を制御できる。しかしながら、上記供給量制御装置は、異常が生じれば、制御部１０から入力される制御指令値に対応する目標供給量を維持できなくなる。反応ガスおよび反応オフガスの性質を検出するためのセンサは、正常であれば、誤差の範囲で反応ガスおよび反応オフガスの性質を検出できる。しかしながら、反応ガスおよび反応オフガスの性質を検出するためのセンサに異常が生じれば、検出値が誤差の範囲から外れる。燃料電池７０の出力を検出するためのセンサは、正常であれば、誤差の範囲で燃料電池７０の出力を検出できる。しかしながら、燃料電池７０の出力を検出するためのセンサに異常が生じれば、検出値が誤差の範囲を外れる。これらの現象を利用して、燃料電池７０の補機の異常を判定することができる。

ここで、供給量制御装置に対する制御指令値に所定の振幅の付加信号を重畳すると仮定する。この場合、正常なセンサによって検出される検出値にも所定の振幅が現れる。図１１は、供給量制御装置に対する制御指令値の一例として原燃料ポンプ２０ａの駆動電圧を示し、センサの検出値として電流センサ８２が検出する発電電流値および温度センサ８５が検出する温度値を示す。図１１の横軸は、経過時間を示す。また、図１１は、原燃料ポンプ２０ａ、電流センサ８２および温度センサ８５が正常である場合を示している。

原燃料量が変動すると、生成される燃料ガス量が変化する。それにより、燃料電池７０における発電電流も変動する。さらに、原燃料量が変動すると、燃料オフガスに含まれる可燃成分量が変動する。それにより、燃焼室６０内の温度も変動する。したがって、図１１に示すように、原燃料ポンプ２０ａ、電流センサ８２および温度センサ８５が正常であれば、原燃料ポンプ２０ａの駆動電圧に振幅を与えると、電流センサ８２が検出する発電電流値および温度センサ８５が検出する温度値にも振幅が現れる。

しかしながら、センサの応答性は、センサに異常が生じると劣化してしまう。したがって、異常が生じているセンサによって検出される検出値に現れる振幅は小さくなる。また、供給量制御装置の応答性も、供給量制御装置に異常が生じると劣化してしまう。したがって、供給量制御装置に異常が生じた場合にも、センサによって検出される検出値に現れる振幅が小さくなる。以上のことから、供給量制御装置に対する制御指令値に与えられる振幅とセンサが検出する検出値の振幅との関係を得ることによって、供給量制御装置およびセンサの少なくともいずれか一方に異常が生じているているか否かを判定することができる。例えば、制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との比の、基準値からの乖離度が所定値を上回るか下回る場合に、供給量制御装置およびセンサの少なくともいずれか一方に異常が生じているていると判定することができる。なお、乖離度が所定値を上回る場合とは上記比が基準値よりも大きい場合であり、乖離度が所定値を下回る場合とは上記比が基準値よりも小さい場合である。なお、制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との比を求める際に、制御指令値の振幅の標準偏差およびセンサの検出値の振幅の標準偏差を用いることによって、異常判定精度が向上する。

ただし、突発的要因に起因してセンサの検出値にばらつきが生じることがある。そこで、本実施形態においては、制御指令値に、所定の振幅を所定の周期で繰り返す付加信号を重畳する。それにより、センサの検出値のバラツキ、誤差などを回避して、供給量制御装置およびセンサに異常が生じているか否かを判定することができる。なお、供給量制御装置への制御指令値に振幅を重畳した際にセンサの検出値に振幅が現れることが必要であるため、センサとして圧力センサ８４を用いる場合には、供給量制御装置には酸化剤ガス供給部４０は含まれない。

図１２は、制御指令値および付加信号の例を示す図である。図１２に示すように、付加信号は、所定の周期で所定の振幅を繰り返す。制御部１０は、付加信号を制御指令値に重畳する。したがって、制御部１０は、重畳部として機能する。付加信号は、複数種類の振幅を有していてもよい。この場合、補機の異常判定の精度が向上する。例えば、振幅の大きい付加信号を用いることによって供給量制御装置またはセンサに異常が生じているか否かを判定することができ、振幅の小さい付加信号を用いることによって供給量制御装置またはセンサの分解能が低下しているか否かを判定することができる。一例として、小さい振幅を制御指令値の２％程度とし、大きい振幅を制御指令値の１０％程度としてもよい。

図１３は、供給量制御装置およびセンサが正常である場合において、供給量制御装置に対する制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係を取得する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図１３のフローチャートは、例えば、燃料電池システム１０２が稼動された後、燃料電池７０の累積発電時間が１００時間程度経過した場合に実行される。

まず、制御部１０は、いずれかの供給量制御装置に対する制御指令値に、第１付加信号を重畳する（ステップＳ４１）。本実施形態においては、供給量制御装置は、原燃料ポンプ２０ａ、調量弁３３および酸化剤ガス供給部４０のいずれかである。第１付加信号は、対象とするセンサの検出値に辛うじて検出可能な振幅が現れる程度の振幅を有する信号である。本実施形態においては、対象とするセンサは、電圧センサ８１、電流センサ８２、酸素濃度センサ８３、圧力センサ８４、および温度センサ８５のいずれかである。

次に、制御部１０は、自己診断指標演算処理を実行する（ステップＳ４２）。図１４は、自己診断指標演算処理の詳細を示すフローチャートの一例である。図１４に示すように、自己診断指標演算処理が実行されると、制御部１０は、制御指令値の標準偏差を算出する（ステップＳ５１）。この場合の標準偏差は、記憶部１３に記憶された制御指令値に基づいて算出されたものであり、例えば、直近で記憶された５０個程度の制御指令値から算出されたものである。ステップＳ５１で得られた制御指令値の標準偏差は、記憶部１３に記憶される。

次に、制御部１０は、ステップＳ５１で得られた標準偏差に移動平均処理を施して移動平均値を取得する（ステップＳ５２）。例えば、下記式（４）に従って移動平均値を取得することができる。ステップＳ５２で得られた制御指令値の移動平均値は、記憶部１３に記憶される。
今回の移動平均値
＝（６３／６４）×前回の移動平均値＋（１／６４）×今回の標準偏差 （４）

次に、制御部１０は、センサの検出値の標準偏差を算出する（ステップＳ５３）。この場合の標準偏差は、記憶部１３に記憶された検出値に基づいて算出されたものであり、例えば、直近で記憶された５０個程度の検出値から算出されたものである。ステップＳ５３で得られた検出値の標準偏差は、記憶部１３に記憶される。

次に、制御部１０は、ステップＳ５３で得られた標準偏差に移動平均処理を施して移動平均値を取得する（ステップＳ５４）。この場合、上記式（４）に従って移動平均値を取得することができる。ステップＳ５４で得られた検出値の移動平均値は、記憶部１３に記憶される。次に、制御部１０は、自己診断指標を算出する（ステップＳ５５）。ステップＳ５５で得られた自己診断指標は、第１自己診断指標として、記憶部１３に記憶される。例えば、第１自己診断指標は、下記式（５）に従って取得される。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
自己診断指標＝制御指令値の移動平均値／検出値の移動平均値 （５）

再度図１３を参照して、制御部１０は、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ４４）。この場合の所定時間は、例えば、１５０秒程度である。ステップＳ４３で「Ｎｏ」と判定された場合には、ステップＳ４１が再度実行される。ステップＳ４３で「Ｙｅｓ」と判定された場合には、制御部１０は、第１自己診断指標の平均値を算出する（ステップＳ４４）。ステップＳ４４で得られた第１自己診断指標の平均値は、記憶部１３に記憶される。

次に、制御部１０は、ステップＳ４１で対象とした供給量制御装置に対する制御指令値に、第２付加信号を重畳する（ステップＳ４５）。第２付加信号は、第１付加信号よりも大きい振幅を有する信号である。次に、制御部１０は、図１４の自己診断指標演算処理を実行する（ステップＳ４６）。図１４の自己診断指標演算処理で得られた自己診断指標は、第２自己診断指標として、記憶部１３に記憶される。

次に、制御部１０は、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ４７）。この場合の所定時間は、例えば、１５０秒程度である。ステップＳ４７で「Ｎｏ」と判定された場合には、ステップＳ４５が再度実行される。ステップＳ４７で「Ｙｅｓ」と判定された場合には、制御部１０は、第２自己診断指標の平均値を算出する（ステップＳ４８）。ステップＳ４８で得られた第２自己診断指標の平均値は、記憶部１３に記憶される。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。

図１３および図１４のフローチャートによれば、供給量制御装置およびセンサが正常である場合の、供給量制御装置に対する制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係を取得することができる。具体的には、初期の第１自己診断指標および初期の第２自己診断指標を取得することができる。初期の第１自己診断指標および初期の第２自己診断指標は、基準値として用いられる。

図１５は、燃料電池７０の累積発電時間が所定時間を超えた場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図１５のフローチャートは、例えば、燃料電池システム１０２が稼動された後、燃料電池７０の累積発電時間が１０００時間程度経過した場合に実行される。図１５に示すように、制御部１０は、ステップＳ６１〜ステップＳ６４を実行する。ステップＳ６１〜ステップＳ６４は、図１３のステップＳ４１〜ステップＳ４４と同様である。それにより、第１自己診断指標が得られる。

次に、制御部１０は、第１自己診断指標が所定値を満足しているか否かを判定する（ステップＳ６５）。ここで、制御部１０は、供給量制御装置に対する制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係が変化しているか否かを判定する。例えば、制御部１０は、下記式（６）が成立するか否かを判定する。下記式（６）では、センサの検出値の振幅が制御指令値の振幅に対して相対的に低下した場合に、供給量制御装置に対する制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係が変化していると判定することができる。
自己診断指標１＞（初期の自己診断指標１）×０．５ （６）

ステップＳ６５において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、ステップＳ６６〜ステップＳ６９を実行する。ステップＳ６６〜ステップＳ６９は、図１３のステップＳ４５〜ステップＳ４８と同様である。それにより、第２自己診断指標が得られる。

次に、制御部１０は、第２自己診断指標が所定値を満足しているか否かを判定する（ステップＳ７０）。ここで、制御部１０は、供給量制御装置に対する制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係が変化しているか否かを判定する。例えば、制御部１０は、下記式（７）が成立するか否かを判定する。下記式（７）では、センサの検出値の振幅と制御指令値の振幅との比が変動した場合に、供給量制御装置に対する制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係が変化していると判定することができる。
（初期の自己診断指標２）×１．１＞自己診断指標２＞（初期の自己診断指標２）×０．９ （７）

ステップＳ７０において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ６５またはステップＳ７０において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１０は、報知装置９１に警報を報知させる（ステップＳ７１）。この場合、報知装置９１は、ステップＳ６５およびステップＳ７０のいずれで「Ｎｏ」と判定されたか識別できる情報を報知する（ステップＳ７１）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。

図１５のフローチャートによれば、供給量制御装置に対する制御指令値の振幅とセンサの検出値の振幅との関係が変化したか否かを判定することができる。その結果、いずれかの供給量制御装置およびセンサに異常が生じているか否かを判定することができる。また、複数種類の振幅を設定することにより、供給量制御装置とセンサとの関係をより正確に判定することができる。なお、ステップＳ７１において、燃料電池７０の発電負荷を低下させてもよい。

なお、図１５のフローチャートは、燃料電池７０の発電量の変動が小さい場合に実行されることが好ましい。燃料電池７０の発電量の変動が大きい場合には、判定精度が低下するからである。図１６は、図１５のフローチャートの実行タイミングを判定する際に実行されるフローチャートの一例である。

図１６に示すように、制御部１０は、図１５のフローチャートが前回実行されてから所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ８１）。この場合の所定時間は、例えば１週間程度である。ステップＳ８１で「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、現在時刻が深夜であるか否かを判定する（ステップＳ８２）。深夜とは、例えば午前１時〜午前３時などである。

ステップＳ８２で「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、燃料電池７０に要求される発電量が減少中であるか否かを判定する（ステップＳ８３）。例えば、要求される発電量が−３Ｗ／秒以上に減少する場合には、要求される発電量が減少中であると判定される。ステップＳ８２で「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１０は、燃料電池７０の発電負荷増幅に上限を設定する（ステップＳ８４）。この場合の上限を、例えば３Ｗ／秒とすることができる。

次に、制御部１０は、図１５のフローチャートを実行する（ステップＳ８５）。次に、制御部１０は、図１５のフローチャートの実行が終了したか否かを判定する（ステップＳ８６）。ステップＳ８６で「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１０は、図１５のフローチャートの実行が完了した日時を記憶部１３に記憶させる。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。なお、ステップＳ８１，８２，８６で「Ｎｏ」と判定された場合には、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。

図１６のフローチャートによれば、燃料電池７０の発電量の変動が小さい場合に、図１５のフローチャートが実行される。それにより、補機の異常の判定精度が向上する。

なお、センサとして酸素濃度センサ８３を用いる場合、酸素濃度センサ８３に大気酸素濃度を検出させることによって、酸素濃度センサ８３に異常が生じているか否かを容易に判定することができる。したがって、センサとして酸素濃度センサ８３を用いることによって、供給量制御装置に異常が生じているか否かを容易に判定することができる。

また、複数のセンサの検出値の振幅を用いることによって、いずれの補機に異常が生じているか否かを判定することができる。具体的には、複数のセンサを対象として図１５のフローチャートの実行した際に、特定のセンサを対象とした場合にのみ異常が生じていると判定された場合には、当該センサに異常が生じていると特定することができる。また、複数のセンサを対象として図１５のフローチャートを実行した際に、いずれのセンサを対象とした場合にも異常が生じていると判定された場合には、供給量制御装置に異常が生じていると特定することができる。したがって、複数のセンサを対象とすることにより、異常が生じている補機を特定することができる。

図１７は、いずれの補機に異常が生じているかを特定する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図１７に示すように、制御部１０は、複数のセンサの検出値を取得する（ステップＳ９１）。次に、制御部１０は、各センサを対象として、図１５のフローチャートを実行する（ステップＳ９２）。次に、制御部１０は、異常が生じている補機を特定する（ステップＳ９３）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。図１７のフローチャートによれば、異常が生じている補機の特定が容易である。

なお、上記実施形態は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池セルにも適用可能である。ただし、固体酸化物形のように高温で作動する燃料電池セルの場合、温度変動が大きくなる。したがって、温度センサ８５を用いることによって、補機の異常の判定精度が向上する。

１０ 制御部
１１ 入出力ポート
１２ ＣＰＵ
１３ 記憶部
２０ 原燃料供給部
３０ 改質水供給部
３３ 調量弁
４０ 酸化剤ガス供給部
５０ 改質器
６０ 燃焼室
７０ 燃料電池
７１ カソード
７２ アノード
８０ 表示装置
８１ 電圧センサ
８２ 電流センサ
８３ 酸素濃度センサ
８４ 圧力センサ
８５ 温度センサ
９０ 熱交換器
９１ 報知装置
１００ 燃料電池システム

Claims (12)

1. 燃料電池への入力値の振幅値を取得する入力振幅値取得部と、
   前記燃料電池からの出力値の振幅値を取得する出力振幅値取得部と、
   前記入力振幅値取得部が取得した入力値の振幅値と前記出力振幅値取得部が取得した出力値の振幅値との比較に基づいて、前記燃料電池の運転条件を変更する運転条件変更部と、を備え、
   前記運転条件変更部は、前記入力値の振幅値と前記出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、前記燃料電池の定格出力を低下させる、または、前記燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方の供給量を増加させ、
   前記燃料電池への入力値として、改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスを生成し前記燃料電池のアノードに供給する改質器に供給される原燃料量を用い、
   前記燃料電池からの出力値として、前記燃料電池の発電電力、発電電流および発電電圧の少なくともいずれか１つ、または前記燃料電池のアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させた場合の排気ガス中の酸素濃度を用いることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記入力値の振幅値と前記出力値の振幅値との比較において、前記入力値および前記出力値の標準偏差を用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記入力値の振幅値と前記出力値の振幅値との比較において、前記入力値および前記出力値の標準偏差の移動平均値を用いることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
4. 燃料電池への入力値の振幅値を取得する入力振幅値取得部と、
   前記燃料電池からの出力値の振幅値を取得する出力振幅値取得部と、
   前記入力振幅値取得部が取得した入力値の振幅値と前記出力振幅値取得部が取得した出力値の振幅値との比較に基づいて、前記燃料電池の劣化判定を行う劣化判定部と、を備え、
   前記劣化判定部は、前記入力値の振幅値と前記出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、前記燃料電池が劣化していると判定し、
   前記燃料電池への入力値として、改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスを生成し前記燃料電池のアノードに供給する改質器に供給される原燃料量を用い、
   前記燃料電池からの出力値として、前記燃料電池の発電電力、発電電流および発電電圧の少なくともいずれか１つ、または前記燃料電池のアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させた場合の排気ガス中の酸素濃度を用いることを特徴とする燃料電池システム。
5. 反応ガスを燃料電池セルに供給するために必要とされる流体の供給量を制御するための供給量制御装置と、
   前記燃料電池セルからのオフガスを燃焼させる燃焼室の温度、前記燃焼室から排出される排気ガス中の酸素濃度、前記燃料電池セルのアノードに供給される燃料ガスの圧力または前記燃料電池セルの出力を検出するセンサと、
   前記供給量制御装置への制御指令値に所定の周期および振幅の付加信号を重畳する重畳部と、
   前記付加信号が前記制御指令値に重畳された場合に、前記制御指令値の振幅と前記センサの検出値の振幅との関係を判定する判定部と、を備え、
   前記判定部は、前記制御指令値の振幅と前記センサの検出値の振幅との比の、基準値からの乖離度が所定値を上回るか下回るかいずれかの場合に、前記供給量制御装置および前記センサのいずれかに異常が生じていると判定し、
   前記判定部は、前記制御指令値の振幅と前記センサの検出値の振幅との比を求める際に、前記制御指令値の振幅の標準偏差および前記センサの検出値の振幅の標準偏差を用いることを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記供給量制御装置は、前記燃料ガスを生成するための改質器に供給される原燃料の供給量を制御する装置であり、
   前記センサは、前記燃焼室の温度を検出する温度センサ、および、前記燃焼室から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサであることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
7. 前記重畳部は、前記制御指令値に、振幅の小さい第１付加信号および振幅の大きい第２付加信号を重畳することを特徴とする請求項１３または１８記載の燃料電池システム。
8. 前記供給量制御装置および前記センサのいずれかに異常が生じていると判定された場合に、警報を報知する報知手段をさらに備えることを特徴とする請求項１３，１８および１９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記供給量制御装置および前記センサのいずれかに異常が生じていると判定された場合に、前記燃料電池セルの発電負荷を低下させる運転条件変更部をさらに備えることを特徴とする請求項１３，１８，１９および２０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 燃料電池への入力値の振幅値を取得する入力振幅値取得ステップと、
    前記燃料電池からの出力値の振幅値を取得する出力振幅値取得ステップと、
    前記入力振幅値取得ステップにおいて取得した入力値の振幅値と前記出力振幅値取得ステップにおいて取得した出力値の振幅値との比較に基づいて、前記燃料電池の運転条件を変更する運転条件変更ステップと、を含み、
    前記運転条件変更ステップにおいて、前記入力値の振幅値と前記出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、前記燃料電池の定格出力を低下させる、または、前記燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方の供給量を増加させ、
    前記燃料電池への入力値として、改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスを生成し前記燃料電池のアノードに供給する改質器に供給される原燃料量を用い、
    前記燃料電池からの出力値として、前記燃料電池の発電電力、発電電流および発電電圧の少なくともいずれか１つ、または前記燃料電池のアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させた場合の排気ガス中の酸素濃度を用いることを特徴とする燃料電池の制御方法。
11. 燃料電池への入力値の振幅値を取得する入力振幅値取得ステップと、
    前記燃料電池からの出力値の振幅値を取得する出力振幅値取得ステップと、
    前記入力振幅値取得ステップにおいて取得した入力値の振幅値と前記出力振幅値取得ステップにおいて取得した出力値の振幅値との比較に基づいて、前記燃料電池の劣化判定を行う劣化判定ステップと、を含み、
    前記劣化判定ステップにおいて、前記入力値の振幅値と前記出力値の振幅値との差が所定値以下になった場合に、前記燃料電池が劣化していると判定し、
    前記燃料電池への入力値として、改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスを生成し前記燃料電池のアノードに供給する改質器に供給される原燃料量を用い、
    前記燃料電池からの出力値として、前記燃料電池の発電電力、発電電流および発電電圧の少なくともいずれか１つ、または前記燃料電池のアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させた場合の排気ガス中の酸素濃度を用いることを特徴とする燃料電池の判定方法。
12. 反応ガスを燃料電池セルに供給するために必要とされる流体の供給量を制御するための供給量制御装置への制御指令値に所定の周期および振幅の付加信号を重畳する重畳ステップと、
    前記重畳ステップで前記付加信号が前記制御指令値に重畳された場合に、前記制御指令値の振幅と、前記燃料電池セルからのオフガスを燃焼させる燃焼室の温度、前記燃焼室から排出される排気ガス中の酸素濃度、前記燃料電池セルのアノードに供給される燃料ガスの圧力または前記燃料電池セルの出力を検出するセンサの検出値の振幅との関係を判定する判定ステップと、を含み、
    前記判定ステップにおいて、前記制御指令値の振幅と前記センサの検出値の振幅との比の、基準値からの乖離度が所定値を上回るか下回るかいずれかの場合に、前記供給量制御装置および前記センサのいずれかに異常が生じていると判定し、
    前記判定ステップにおいて、前記制御指令値の振幅と前記センサの検出値の振幅との比を求める際に、前記制御指令値の振幅の標準偏差および前記センサの検出値の振幅の標準偏差を用いることを特徴とする燃料電池の判定方法。

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