WO2012091035A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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環樹 水野
佐藤　康司
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Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • a fuel cell system including a hydrogen generation unit that generates a hydrogen-containing gas using a fuel containing hydrogen and a cell stack that generates power using the hydrogen-containing gas is known.
  • a hydrogen generation unit that generates a hydrogen-containing gas using a fuel containing hydrogen
  • a cell stack that generates power using the hydrogen-containing gas
  • the temperature of the cell stack repeatedly increases and decreases, and as a result, the deterioration of the cell stack may be accelerated. In any case, deterioration of the cell stack occurs with the operation of the fuel cell system. Therefore, in addition to the technique for suppressing the deterioration of the cell stack, there is a need for a technique for operating the fuel cell system without any trouble according to the degree of deterioration of the cell stack even when the cell stack is deteriorated.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be operated in accordance with the degree of deterioration of the cell stack.
  • a fuel cell system includes a hydrogen generation unit that generates a hydrogen-containing gas using a fuel containing hydrogen, a cell stack that generates power using the hydrogen-containing gas, and A voltage detection unit that detects a voltage output from the cell stack, an operation state determination unit that determines whether or not the fuel cell system is in a rated operation state, and an operation determination unit A fuel utilization rate variation unit that varies the fuel utilization rate of the fuel cell system when it is determined that the fuel cell system is in a rated operation state, and a voltage for each value of the fuel utilization rate that varies depending on the fuel utilization rate variation unit.
  • a value is obtained from the voltage detection unit, a comparison unit that compares each value of the voltage with a reference value, and the comparison unit determines that each value of the voltage has dropped below a threshold value with respect to the reference value If it includes a rated output control unit to lower the rated output of the fuel cell system at a predetermined ratio, a.
  • the fluctuation of the voltage from the cell stack with respect to the fluctuation of the fuel utilization rate is acquired, and the deterioration of the cell stack is detected by comparing the voltage value with the reference value. Then, when the deterioration of the cell stack is recognized, the rated output of the system is reduced, and the operation according to the deterioration degree of the cell stack is realized.
  • This fuel cell system can be operated according to the degree of deterioration of the cell stack.
  • the fuel cell system 1 includes a desulfurization unit 2, a water vaporization unit 3, a hydrogen generation unit 4, a cell stack 5, an off-gas combustion unit 6, a hydrogen-containing fuel supply unit 7, The water supply part 8, the oxidizing agent supply part 9, the power conditioner 10, and the control part 11 are provided.
  • the fuel cell system 1 generates power in the cell stack 5 using a hydrogen-containing fuel and an oxidant.
  • the type of the cell stack 5 in the fuel cell system 1 is not particularly limited, and examples thereof include a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and phosphoric acid.
  • a fuel cell (PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), a molten carbonate fuel cell (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), and other types can be employed. 1 may be appropriately omitted depending on the type of cell stack 5, the type of hydrogen-containing fuel, the reforming method, and the like.
  • hydrocarbon fuel a compound containing carbon and hydrogen in the molecule (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof is used.
  • hydrocarbon fuels include hydrocarbons, alcohols, ethers, and biofuels. These hydrocarbon fuels are derived from conventional fossil fuels such as petroleum and coal, and synthetic systems such as synthesis gas. Those derived from fuel and those derived from biomass can be used as appropriate. Specific examples of hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, town gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil. Examples of alcohols include methanol and ethanol. Examples of ethers include dimethyl ether. Examples of biofuels include biogas, bioethanol, biodiesel, and biojet.
  • oxygen-enriched air for example, air, pure oxygen gas (which may contain impurities that are difficult to remove by a normal removal method), or oxygen-enriched air is used.
  • the desulfurization unit 2 desulfurizes the hydrogen-containing fuel supplied to the hydrogen generation unit 4.
  • the desulfurization part 2 has a desulfurization catalyst for removing sulfur compounds contained in the hydrogen-containing fuel.
  • a desulfurization method of the desulfurization unit 2 for example, an adsorptive desulfurization method that adsorbs and removes sulfur compounds and a hydrodesulfurization method that removes sulfur compounds by reacting with hydrogen are employed.
  • the desulfurization unit 2 supplies the desulfurized hydrogen-containing fuel to the hydrogen generation unit 4.
  • the water vaporization unit 3 generates water vapor supplied to the hydrogen generation unit 4 by heating and vaporizing water.
  • heat generated in the fuel cell system 1 such as recovering the heat of the hydrogen generation unit 4, the heat of the off-gas combustion unit 6, or the heat of the exhaust gas may be used.
  • FIG. 1 only heat supplied from the off-gas combustion unit 6 to the hydrogen generation unit 4 is described as an example, but the present invention is not limited to this.
  • the water vaporization unit 3 supplies the generated water vapor to the hydrogen generation unit 4.
  • the hydrogen generation unit 4 generates a hydrogen rich gas using the hydrogen-containing fuel from the desulfurization unit 2.
  • the hydrogen generator 4 has a reformer that reforms the hydrogen-containing fuel with a reforming catalyst.
  • the reforming method in the hydrogen generating unit 4 is not particularly limited, and for example, steam reforming, partial oxidation reforming, autothermal reforming, and other reforming methods can be employed.
  • the hydrogen generator 4 may have a configuration for adjusting the properties in addition to the reformer reformed by the reforming catalyst depending on the properties of the hydrogen rich gas required for the cell stack 5.
  • the hydrogen generation unit 4 is configured to remove carbon monoxide in the hydrogen-rich gas. (For example, a shift reaction part and a selective oxidation reaction part).
  • the hydrogen generation unit 4 supplies a hydrogen rich gas to the anode 12 of the cell stack 5.
  • the cell stack 5 generates power using the hydrogen rich gas from the hydrogen generation unit 4 and the oxidant from the oxidant supply unit 9.
  • the cell stack 5 includes an anode 12 to which a hydrogen-rich gas is supplied, a cathode 13 to which an oxidant is supplied, and an electrolyte 14 disposed between the anode 12 and the cathode 13.
  • the cell stack 5 supplies power to the outside via the power conditioner 10.
  • the cell stack 5 supplies the hydrogen rich gas and the oxidant, which have not been used for power generation, to the off gas combustion unit 6 as off gas.
  • a combustion section for example, a combustor that heats the reformer
  • the hydrogen generation section 4 may be shared with the off-gas combustion section 6.
  • the off gas combustion unit 6 burns off gas supplied from the cell stack 5.
  • the heat generated by the off-gas combustion unit 6 is supplied to the hydrogen generation unit 4 and used for generation of a hydrogen rich gas in the hydrogen generation unit 4.
  • the hydrogen-containing fuel supply unit 7 supplies hydrogen-containing fuel to the desulfurization unit 2.
  • the water supply unit 8 supplies water to the water vaporization unit 3.
  • the oxidant supply unit 9 supplies an oxidant to the cathode 13 of the cell stack 5.
  • the hydrogen-containing fuel supply unit 7, the water supply unit 8, and the oxidant supply unit 9 are configured by a pump, for example, and are driven based on a control signal from the control unit 11.
  • the power conditioner 10 adjusts the power from the cell stack 5 according to the external power usage state. For example, the power conditioner 10 performs a process of converting a voltage and a process of converting DC power into AC power.
  • the control unit 11 performs control processing for the entire fuel cell system 1.
  • the control unit 11 is configured by a device including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and an input / output interface, for example.
  • the control unit 11 is electrically connected to a hydrogen-containing fuel supply unit 7, a water supply unit 8, an oxidant supply unit 9, a power conditioner 10, and other sensors and auxiliary equipment not shown.
  • the control unit 11 acquires various signals generated in the fuel cell system 1 and outputs a control signal to each device in the fuel cell system 1.
  • control executed by the control unit 11 will be described in more detail.
  • the control unit 11 is a part that outputs a control signal to each device in the fuel cell system 1, and in addition, executes a diagnostic process for diagnosing the deterioration of the cell stack 5.
  • control unit 11 includes, as functional components, a diagnosis start condition determination unit 101, an operation state determination unit 102, a voltage detection unit 103, and a fuel utilization rate variation unit. 104, a comparison unit 105, and a rated output control unit 106.
  • the diagnosis start condition determination unit 101 is a part that determines whether or not to start execution of diagnosis processing. Various conditions can be applied as the diagnosis start condition. For example, whether or not a predetermined time has elapsed since the fuel cell system 1 started power generation, or a hot water tank (not shown) connected to the fuel cell system 1 The remaining amount of water is small and there is a demand for hot water (the fuel cell system 1 is in a state of recovering heat).
  • the predetermined time after starting the power generation is set to 1000 hours, for example.
  • the operation state determination unit 102 is a part that determines whether or not the fuel cell system 1 is in a rated operation state.
  • the rated operation state is an operation state in which the power generated by the cell stack 5 is the maximum power in the specification, and is a state in which the voltage / current operates stably.
  • the operation state determination unit 102 determines that the fuel cell system 1 is in the rated operation state when, for example, the change in the moving average value of the voltage output from the cell stack 5 is equal to or less than the threshold value for a certain time (for example, 15 minutes). to decide.
  • the voltage detection unit 103 is a part that detects a voltage output from the cell stack 5 to the power conditioner 10.
  • the voltage detector 103 constantly detects the voltage output from the cell stack 5 to the power conditioner 10 while the fuel cell system 1 is generating power.
  • the fuel usage rate changing unit 104 is a part that changes the fuel usage rate of the fuel cell system 1.
  • the fuel utilization rate is a ratio of the flow rate of the fuel used for the power generation reaction in the cell stack 5 with respect to the flow rate of the fuel supplied from the hydrogen-containing fuel supply unit 7.
  • the fuel usage rate change unit 104 controls the hydrogen-containing fuel supply unit 7 when the operation determination unit 102 determines that the fuel cell system 1 is in the rated operation state, and changes the fuel usage rate of the fuel cell system 1. .
  • the comparison unit 105 is a part that acquires each value of the voltage with respect to each value of the fuel utilization rate fluctuated by the fuel utilization rate variation unit 104 from the voltage detection unit 103, and compares each value of the voltage with a reference value.
  • the reference value may be a preset voltage value stored in the comparison unit 105, or may be a voltage value acquired when a past diagnosis process is executed.
  • the comparison unit 105 determines that the cell stack 5 has not deteriorated when the decrease in each value of the voltage with respect to each value of the fuel utilization rate is less than the threshold (graph A). On the other hand, the comparison unit 105 determines that the cell stack 5 has deteriorated when the decrease in each value of the voltage with respect to each value of the fuel utilization rate exceeds the threshold (graph B).
  • the rated output control unit 106 is a part that controls the rated output of the fuel cell system 1.
  • the rated output control unit 106 determines the rated output of the fuel cell system 1 at a predetermined rate when the comparison unit 105 determines that each value of the voltage with respect to each value of the fuel utilization rate is lower than a threshold value. Reduce.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of diagnosis processing by the control unit.
  • step S01 when the fuel cell system 1 starts power generation, detection of the voltage output from the cell stack 5 is started (step S01). Next, based on the amount of change in the moving average value of the voltage output from the cell stack 5, it is determined whether or not the fuel cell system 1 is in the rated operation state (step S02). In step S02, when it is determined that the fuel cell system 1 is in the rated operation state, the diagnosis start condition is determined (step S03, step S04).
  • diagnosis start condition for example, as shown in FIG. 5, it is first determined whether or not a predetermined time has elapsed since the start of power generation (step S11). Next, it is determined whether or not the demand for hot water is large (step S12). If both steps S11 and S12 are satisfied, it is determined that the diagnosis start condition is satisfied (step S13). If either of steps S11 and S12 is not satisfied, it is determined that the diagnosis start condition is not satisfied (step S14). If it is determined that the diagnosis start condition is not satisfied, the processes from step S02 to step S04 are repeated.
  • the fuel utilization rate variation unit 104 performs the variation of the fuel utilization rate (step S05). Next, each value of the voltage of the cell stack 5 is acquired for each value of the fuel utilization rate (step S06). After each voltage value is acquired, a comparison with a reference value is performed (step S07), and it is determined whether or not each voltage value has dropped below a threshold value (step S08).
  • step S08 if the decrease in each value of the voltage is less than the threshold value, it is determined that the cell stack 5 has not deteriorated, and the diagnosis process ends. On the other hand, if the decrease in each voltage value exceeds the threshold value, it is determined that the cell stack 5 has deteriorated, and the rated output of the fuel cell system 1 is decreased at a predetermined rate (step S09). ).
  • the fluctuation of the voltage from the cell stack 5 with respect to the fluctuation of the fuel utilization rate is acquired, and the deterioration of the cell stack 5 is detected by comparing the voltage value with the reference value.
  • the deterioration of the cell stack 5 is recognized, the rated output of the system is reduced, and the operation according to the deterioration degree of the cell stack 5 is realized.
  • the deterioration of the cell stack 5 is judged based on the voltage fluctuation of the cell stack 5. Yes. Thereby, the configuration necessary for determining the deterioration of the cell stack 5 can be simplified.

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Abstract

　燃料電池システム１では、燃料利用率の変動に対するセルスタック５からの電圧の変動を取得し、電圧の値と基準値との比較によってセルスタック５の劣化を検出する。そして、セルスタック５の劣化が認められた場合にシステムの定格出力を低下させ、セルスタック５の劣化具合に応じた運転を実現する。

Description

燃料電池システム
　本発明は、燃料電池システムに関する。
　従来、水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックとを備える燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおいてセルスタックの劣化が進行して定格出力の維持が困難になってくると、過電圧が大きくなってセルスタックの温度が上昇するという問題がある。
　このような問題に対し、例えば特許文献１に記載の燃料電池システムでは、電力が０から定格出力になるまでの昇温期間と、電力が定格出力から０になるまでの降温期間とにおける電流対燃料利用率データを用意している。そして、当該データに基づいて各運転期間における燃料ガス供給量を制御することによって、セルスタックの劣化防止などを図っている。
特開２００６－５９５５０号公報
　しかしながら、上述の従来技術のような手法では、セルスタックの温度が上昇下降を繰り返し、結果としてセルスタックの劣化が加速してしまう可能性がある。また、いずれにせよ燃料電池システムの運転と共にセルスタックの劣化が生じることに変わりはない。したがって、セルスタックの劣化を抑制する技術以外に、セルスタックが劣化した場合であっても、セルスタックの劣化具合に応じて燃料電池システムを支障なく運転させる技術が求められる。
　本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、セルスタックの劣化具合に応じた運転を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
　上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、セルスタックから出力される電圧を検出する電圧検出部と、燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、運転判断部によって燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に燃料電池システムの燃料利用率を変動させる燃料利用率変動部と、燃料利用率変動部によって変動する燃料利用率の各値に対する電圧の各値を電圧検出部から取得し、当該電圧の各値を基準値と比較する比較部と、比較部によって電圧の各値が基準値に対して閾値を超えて低下していると判断された場合に、燃料電池システムの定格出力を所定の割合で低下させる定格出力制御部と、を備える。
　この燃料電池システムでは、燃料利用率の変動に対するセルスタックからの電圧の変動を取得し、電圧の値と基準値との比較によってセルスタックの劣化を検出する。そして、セルスタックの劣化が認められた場合にシステムの定格出力を低下させ、セルスタックの劣化具合に応じた運転を実現する。
　この燃料電池システムによれば、セルスタックの劣化具合に応じた運転を行うことができる。
燃料電池システムの一実施形態を示す図である。 制御部の機能的な構成要素を示す図である。 燃料利用率に対する電圧の変動の様子を示す図である。 制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。 診断開始条件の判断の一例を示すフローチャートである。
　以下、図面を参照しながら、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer　Electrolyte　Fuel　Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid　Oxide　Fuel　Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric　Acid　Fuel　Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten　Carbonate　Fuel　Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
　水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
　酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
　脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。
　水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
　水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
　セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
　オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
　水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
　パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
　制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
　続いて、制御部１１が実行する制御について更に詳細に説明する。
　制御部１１は、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する部分であるが、これに加えて、セルスタック５の劣化を診断する診断処理を実行する。
　この診断処理に関し、制御部１１は、図２に示すように、機能的な構成要素として、診断開始条件判断部１０１と、運転状態判断部１０２と、電圧検出部１０３と、燃料利用率変動部１０４と、比較部１０５と、定格出力制御部１０６とを備えている。
　診断開始条件判断部１０１は、診断処理の実行を開始するか否かを判断する部分である。診断開始条件は、種々の条件を適用し得るが、例えば燃料電池システム１が発電を開始してから所定時間が経過したか否か、或いは燃料電池システム１に接続される貯湯槽（不図示）の残量が少なく、温水需要が生じていること（燃料電池システム１が熱回収をしている状態にあること）などが挙げられる。発電を開始してからの所定時間は、例えば１０００時間に設定される。
　運転状態判断部１０２は、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かを判断する部分である。定格運転状態とは、セルスタック５で発電される電力が仕様上最大の電力となるような運転状態であり、電圧・電流が安定した動作をする状態である。運転状態判断部１０２は、例えばセルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化が一定時間（例えば１５分）にわたって閾値以下であった場合に、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断する。
　電圧検出部１０３は、セルスタック５からパワーコンディショナー１０に出力される電圧を検出する部分である。電圧検出部１０３は、燃料電池システム１が発電を行っている間、セルスタック５からパワーコンディショナー１０に出力される電圧を常時検出する。
　燃料利用率変動部１０４は、燃料電池システム１の燃料利用率を変動させる部分である。燃料利用率とは、水素含有燃料供給部７から供給された燃料の流量に対してセルスタック５での発電反応に使用された燃料の流量の割合である。燃料利用率変動部１０４は、運転判断部１０２によって燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合に水素含有燃料供給部７を制御し、燃料電池システム１の燃料利用率を変動させる。
　比較部１０５は、燃料利用率変動部１０４によって変動する燃料利用率の各値に対する電圧の各値を電圧検出部１０３から取得し、当該電圧の各値を基準値と比較する部分である。基準値は、予め設定された電圧値を比較部１０５に記憶させておいてもよく、過去の診断処理の実行の際に取得した電圧値であってもよい。
　図３に示す例では、燃料利用率が例えば５０％～７０％の範囲で１０％刻みで変動した場合の電圧値が示されている。比較部１０５は、燃料利用率の各値に対する電圧の各値の低下が閾値未満である場合（グラフＡ）には、セルスタック５の劣化が生じていないと判断する。一方、比較部１０５は、燃料利用率の各値に対する電圧の各値の低下が閾値を超えている場合（グラフＢ）には、セルスタック５の劣化が生じていると判断する。
　定格出力制御部１０６は、燃料電池システム１の定格出力を制御する部分である。定格出力制御部１０６は、比較部１０５によって燃料利用率の各値に対する電圧の各値が閾値を超えて低下していると判断された場合に、燃料電池システム１の定格出力を所定の割合で低下させる。
　次に、制御部１１の動作について説明する。図４は、制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
　まず、燃料電池システム１が発電を開始すると、セルスタック５から出力される電圧の検出が開始される（ステップＳ０１）。次に、セルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化量に基づいて、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かが判断される（ステップＳ０２）。ステップＳ０２において、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合、診断開始条件の判断がなされる（ステップＳ０３，ステップＳ０４）。
　診断開始条件の判断では、例えば図５に示すように、まず、発電開始から所定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ１１）。次いで、温水需要が大きいか否かが判断され（ステップＳ１２）、ステップＳ１１，１２をいずれも満たす場合には、診断開始条件を満たすと判断される（ステップＳ１３）。また、ステップＳ１１，Ｓ１２のいずれかを満たさない場合には、診断開始条件を満たさないと判断される（ステップＳ１４）。診断開始条件を満たさないと判断された場合、ステップＳ０２～ステップＳ０４までの処理が繰り返し行われる。
　診断開始条件を満たすと判断された場合、図４に示すように、燃料利用率変動部１０４による燃料利用率の変動が実行される（ステップＳ０５）。次に、燃料利用率の各値に対するセルスタック５の電圧の各値の取得がなされる（ステップＳ０６）。電圧の各値の取得の後、基準値との比較が行われ（ステップＳ０７）、電圧の各値が閾値を超えて低下したか否かが判断される（ステップＳ０８）。
　ステップＳ０８において、電圧の各値の低下が閾値未満である場合には、セルスタック５の劣化は生じていないものと判断され、診断処理が終了する。一方、電圧の各値の低下が閾値を超えている場合には、セルスタック５の劣化が生じているものと判断され、燃料電池システム１の定格出力が所定の割合で低下させられる（ステップＳ０９）。
　以上説明したように、燃料電池システム１では、燃料利用率の変動に対するセルスタック５からの電圧の変動を取得し、電圧の値と基準値との比較によってセルスタック５の劣化を検出する。そして、セルスタック５の劣化が認められた場合にシステムの定格出力を低下させ、セルスタック５の劣化具合に応じた運転を実現する。
　また、燃料電池システム１では、セルスタック５の状態を直接観測する代わりに、掃引電流が一定となる定格運転状態において、セルスタック５の電圧の変動に基づいてセルスタック５の劣化を判断している。これにより、セルスタック５の劣化を判断するために必要な構成を簡単化できる。
　１…燃料電池システム、４…水素発生部、５…セルスタック、６…オフガス燃焼部、１０２…運転状態判断部、１０３…電圧検出部、１０４…燃料利用率変動部、１０５…比較部、１０６…定格出力制御部。

Claims (1)

  1. 　水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
    　前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、
    　前記セルスタックから出力される電圧を検出する電圧検出部と、
    　前記燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
    　前記運転判断部によって前記燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に前記燃料電池システムの燃料利用率を変動させる燃料利用率変動部と、
    　前記燃料利用率変動部によって変動する前記燃料利用率の各値に対する前記電圧の各値を前記電圧検出部から取得し、当該電圧の各値を基準値と比較する比較部と、
    　前記比較部によって前記電圧の各値が前記基準値に対して閾値を超えて低下していると判断された場合に、前記燃料電池システムの定格出力を所定の割合で低下させる定格出力制御部と、を備えた燃料電池システム。
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