WO2005088753A1

WO2005088753A1 - 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

Info

Publication number: WO2005088753A1
Application number: PCT/JP2005/004365
Authority: WO
Inventors: Yasuo Takebe; Makoto Uchida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2005-09-22
Also published as: JPWO2005088753A1; CN1930718A; US20070172708A1

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

明細書

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力ソードに供給され、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、一対の力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、都市ガス等の燃料カゝ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力構成されており、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、るその場で行えることが望ま U、。

[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力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力、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力拡散抵抗と反応抵抗を求めている。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] し力しながら、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力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、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。

[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力、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。

[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力の変化力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

[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、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。

[0019] 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。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] また、第 10の本発明は、燃料電池システムの燃料電池力も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、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。

[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] また、第 11の本発明は、前記診断手段は、

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。

[0027] 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。

[0029] 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。

[0030] 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。

[0031] 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、

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。

[0032] 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。

[0033] 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。

[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、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、

燃料電池システム力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、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ぉヽて、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ょ、かを、特定することが可能となる。

発明の効果

[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、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 SZN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

[0039] 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

発明を実施するための最良の形態

[0040] 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っ、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

[0041] 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。

[0042] 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力ソードである。

[0043] この燃料電池セルを数十カゝら数百個積層して、一つの燃料電池スタックを構成する

[0044] 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、力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力もなる。

[0045] 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。

[0046] 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。

[0047] 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。

[0048] 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。

[0049] 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、など、ノイズに対するシグナルの比（SZN比）が向上する。し力し図 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 SZN比は飽和し、それ以上振幅を増やしても SZN比は向上しな!/、。

[0050] 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。

[0051] 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。

[0052] 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 (ただし虚数単位をした、以下同様)。

[0053] 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— j£i I=lr-jli

Z=E/I= (Er-jEi) / (Ir-jli)

と記述される。

[0054] 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。

[0055] さらに、取り出す交流電流の周波数 fを 0. 1Hz程度から lOOOHz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。

[0056] 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— Col e plot)を作成する。

[0057] 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)。

[0058] 図 2のような、抵抗（抵抗値) Rm、 Ra、 Rc、コンデンサ（容量値） Ca、 Cc、およびヮールブルグィンピーダンス 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。

[0059] 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イットする、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。

[0060] 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は力ソード反応抵抗、 Caはアノード二重層容量、 Cc は力ソード二重層容量、 Wcは力ソード拡散インピーダンスをそれぞれ表す。

[0061] 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)

P = 0. 5 T=Lソ 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は力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力ソード拡散抵抗 Rwを用いる。

[0062] 周波数は、できるだけ細力べ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。

[0063] すなわち、図 4 (a)—（d)に示すように、高周波数 (例えば lOOOHz)における複素ィンピーダンスの実数成分が Rmとほぼ等しぐ 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。

[0064] 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ベると、以下のような結果が得られた。

[0065] 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。

[0066] 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。

[0067] 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。

[0068] 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一ネントに対応して、ることがわ力る。

[0069] 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。

[0070] 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一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。

[0071] 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。

[0072] 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ぉ、た定格時の値と比較することで、等価回路のコンポ一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。

[0073] 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。

[0074] (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。

[0075] 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のァノード（図示せず）に供給し、空気を加湿して力ソード（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 5 01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 5 02d、ブロア 503により導入される空気力塵やその他の不純物を除去するためのフイノレター 504,フイノレター 504を通過した空気をカロ?显するカロ?显器 505,カロ?显器 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

[0076] 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。

[0077] なお、上記の構成にぉ、て、改質器、改質器を加熱するためのバーナー、ポンプ 5 02a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 5 03,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

[0078] 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、これら力も各部の特性プロフィールを作成する特性ブ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ょ、。

[0079] 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力ゝらー酸ィ匕炭素を除去する一酸ィ匕炭素除去器などカゝ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つてもよい。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。

[0080] 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、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。 [0081] 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力燃料電池 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、セルに流れる電流力も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。

[0082] 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っ、て、図 6 (a)一 (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。

[0083] 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、、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一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、 R_C、 R_W、 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、本願発明の特性ブロフィールのインピーダンスに相当する。

[0084] 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。

[0085] 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〖こなる。

[0086] (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。

[0087] 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、 (S20)、燃料供給量が増加した後の燃料電池 50 2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)。

[0088] 改質器への燃料供給量を定格時力増やすと、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、あら力じめ診断手段 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の変ィ匕が、所定箇所の異常と関連しているかどうかを判断する。

[0089] まず、 Raが大幅に小さくなつた場合には、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が大幅に小さくなつ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 50 2cの調整または交換を行うと、修理が完了することになる。

[0090] 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の中の改質器にぉ、てメタンの水素への転嫁率が低下して、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。

[0091] 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。

[0092] 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（S 30)、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)。

[0093] 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

[0094] まず、 Raが小さくなつた場合には、定格時に燃料中の水蒸気 Z炭素比（SZC)が適正でないことが考えられるため、 Raが小さくなつたかどうかを判断する（S34)。 Ra 力、さくなつた場合は、 SZCが適正でないということになる力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 (S 25)。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。

[0095] 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 50 1の中の改質器にお、てメタンの水素への転嫁率が低下して、ることが考えられる力らである。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。

[0096] 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。

[0097] 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、、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)。

[0098] 改質器の温度を定格時力上げると、通常は Raがやや大きくなる。これに対し Raが小さくなつた場合には、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が小さくなつたかどうかを判断する（S44)。 Raが小さくなつた場合は、改質器にぉ、てメタンの水素への転嫁率が低下して、ることが考えられる 1S 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、バーナ一のクリーニング、交換等の対応を行うことができる。

[0099] 一方、 Raが小さくなつ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)。

[0100] 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。

[0101] (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。

[0102] 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 (R a、 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)。

[0103] 燃料電池 502への空気供給量を定格時力増やすと、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。この異なる変化力メモリ 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。

[0104] まず、 Rwが大幅に小さくなつた場合には、定格時に燃料電池 501を構成するセルのフラッデイングが起こっていることが考えられるため、まず Rwが大幅に小さくなつた力どうかを判断する（S54)。 Rwが大幅に小さくなつ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 S 13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、フラッデイングの原因が、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つ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。

[0105] 一方、 Rwが S 13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 (S 54d)。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

[0106] また、 S54にて Rwが大幅に小さくなつ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力どうかを判定する（S55)。変わって Vヽな、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、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 50 5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] さらに S55にて Rwが空気供給量を増カロ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 50 9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。

[0108] 一方、 Rcが大きくなつ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,カロ、湿器 505、ポンプ 502b、フイノレター 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。

[0109] 次に、図 6 (c)に示すように、 S20— S23と同様にして、 ffilj御手段 510は、ポンプ 50 2b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)。

[0110] 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が小さくなつた場合には、定格時に燃料電池 502の燃料電池セルが乾ヽ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。

[0111] 一方、 Rmが小さくなつ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)。

[0112] 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。

[0113] (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。

[0114] 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)。

[0115] 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 が大幅に小さくなつた場合には、定格時に燃料電池セルの温度分布が大きぐ燃料電池 501を構成するセルのフラッデイングが起こっていることが考えられる。そこで Rw が大幅に小さくなつたかどうかを判定する（S74)。 Rwが大幅に小さくなつていると判断された場合は、フラッデイ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力制御にて設定した値より低くなつ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。

[0116] 一方、 Rwが大幅に小さくなつていない場合は、 Rmが小さくなつていないかどうかを判定する（S76)。 Rmが小さくなつ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ぐ燃料電池セルの一部でドライアップが起こって、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力制御にて設定した値より低くなつ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、ボンプ 502dの調整または交換を行うことで対応が可能となる。

[0117] 一方、 Rmが小さくなつ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。

[0118] 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 (R_a、 R_C、 R w、 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)。

[0119] 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が大幅に小さくなつた場合には、定格時に燃料電池 502の燃料電池セルがフラッデイングの状態にあると考えられる。そこで Rmが大幅に小さくなつた力どうかを判定する（S84)。 Rmが大幅に小さくなつていると判断された場合は、フラッデイングが起こっていることになる力この原因は、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。

[0120] 一方、 Rmが小さくなつ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)。

[0121] 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。

[0122] (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の劣化力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 50 2の劣化に基づくものかを切り分ける必要がある。

[0123] 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一タとから、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。

[0124] 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力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。

[0125] 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。

[0126] 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。

[0127] また運転条件パラメータ Xに対するインピーダンス Y力図 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。

[0128] 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 XI で制御されて、る場合のインピーダンスの Rw成分を W1とする。空気を供給するプロァ一が劣化して、 XI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、なカゝつた場合、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、実際の空気流量力 ¾2から XI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、ブロア一等の空気供給系に異常があったことが示唆される。

[0129] 一方、ブロア一の劣化が無力つた場合には、燃料電池には適正な空気流量 XI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、実際の空気量力 1から X3と変化した場合には、インピーダンスは W1 から W3と微減し力しないため、ブロア一等の空気供給系には異常が無力つたことが分かる。

[0130] 故障診断においては、ブロア一等の燃料電池の周辺機器の故障だけでなぐ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。

[0131] 適正流量 XI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 XI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一が劣化して、 XI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力供給されていな力つた場合、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、、実際の空気流量が X2から XI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、ブロア一等の空気供給系に異常があったことが示唆される。

[0132] 一方、ブロア一の劣化が無力つた場合には、燃料電池には適正な空気流量 XI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、実際の空気量力 1から X3と変化した場合には、インピーダンスは W4 から W6と微減し力しないため、ブロア一等の空気供給系には異常が無力つたことが分かる。

[0133] このように燃料電池そのものの劣化の有無に関係無ぐ周辺機器の故障の有無を検知できる。

[0134] 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、酸ィ匕剤ガス供給部、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ぐ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。

[0135] 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つの燃料電池セル力なるものを代表的に示して、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。

[0136] 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力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力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ィ匕した値の大きさに基づくものであればよぐ定量ィ匕後の処理の手法によって限定されるものでな、。

[0137] 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、パーナ等の複数の構成要素力成り立つている場合は、それら構成要素の!、ずれか一つまたは複数である力まで特定できるとしてもよ、ことは言うまでもな!/ヽ

[0138] また、上記の各診断は、図 6 (a)一 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、た、場合は、対応する部分の操作だけ行うようにしてもょ、。

[0139] 次に本発明の実施例を具体的に説明する。

[0140] (実施例 1)

始めに、燃料電池 502の作製について説明する。

[0141] 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— 06 0)にポリテトラフルォ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°Cで加熱することで撥水処理を行った。

[0142] さらに炭素粉末とフッ素榭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、フッ素榭脂としてのポリテトラフルォ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°C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。

[0143] 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 30Aの白金粒子を 50重量％担持したもの（田中貴金属工業 (株)製: T EC10E50E) 10g〖こ、水 10gを加え、水素イオン伝導性高分子電解質の 9重量％ェタノール溶液 (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、白金の含有量が lcm²当り 0. 3mgになるように調整した。

[0144] 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%ェタノール溶液 (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。このべ一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 lcm²当り 0. 3mgになるように調整した。

[0145] 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 (ジャパンゴァテックス (株)社製：ゴァーセレクト、膜厚 30 m)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°C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。

[0146] 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。

[0147] 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— 25260 4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パーナ 16と、このパーナ 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 1 7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 1 0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。

[0148] 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。

[0149] 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の外周側にはパーナ 16におヽ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カもなり、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。

[0150] 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 力も構成されている。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力も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、ェタン、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 (液ィ匕石油ガス )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。

[0151] またフィルター 504は、長瀬産業製 MCハ-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。

[0152] 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°C)を供給し、酸素極側には露点が 70°C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 200mAZcm²で発電を行った。

[0153] 冷却水を燃料電池セルの入口側で 70°C、出口側で 72°C— 75°Cになるように調整した。

[0154] 燃料電池セルの電圧は 0. 75Vだった。

[0155] 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。

[0156] 負荷電流をインバーター力もインピーダンス測定器につなぎ換えて 1000Hz、 200

Hz、 10Hz、 0. 1Hzにおける複素インピーダンスを測定した。

[0157] 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 S

11250)と電子負荷（SCRIBNER社製 Fuel Cell Test System SERIES890

B)の組み合わせで構成した。 [0158] 負荷電流は、 200mAZcm²の直流に ± 10mAZcm²の正弦波を重畳した電流とした。

[0159] lOOOHz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。

[0160] 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、力ソードのフラッデイ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。

[0161] 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 1 6のクリーニングを行った。

[0162] 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

[0163] 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。

[0164] 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 1 1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の交換を行つた。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。

[0165] (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ヽて実施例 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。

[0166] 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。

[0167] 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. 3πι Ωから 2. 5m Ωに大幅減少しており、定格時の冷却水ポンプ 5 02dの能力不足が確認できた。

[0168] (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。

[0169] 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、発電開始力も 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。

[0170] 上述の実施例 1一 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力となる。

[0171] なお、本発明に力かるプログラムは、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。

[0172] 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。

[0173] 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。

[0174] 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。

[0175] 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。

[0176] 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。 [0177] 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。

[0178] 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。

[0179] 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。

[0180] 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、ハ一ドウエア的に実現しても良、。

産業上の利用可能性

[0181] 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。

Claims

請求の範囲

[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、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、

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、

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、

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、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、

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、

前記所定箇所は、

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、

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、

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、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。