燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法
【課題】 燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更部と、を備える。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
燃料電池は、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、スタックごとの電圧および／または電流を検出して比較することによって、該スタックを構成するセルの破損を検出するセル破損検出装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−２７１３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、スタックのグループ分け基準が規定されておらず、異常セルが散在しているとスタックの劣化を検出することが困難である。また、スタックに異常セルが含まれていても、正常と判断される場合がある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更部と、を備え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、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる。また、燃料電池スタック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。
【０００８】
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの運転条件を変更してもよい。前記所定値は、前記燃料電池スタックの発電出力が高いほど大きくてもよい。前記発電性能因子として前記燃料電池セルの温度を用い、比較的低温の前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、該第１の燃料電池セル群と比較して高温の前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群としてもよい。
【０００９】
前記発電性能因子として各前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガス流量を用い、酸化剤ガス流量が比較的少ない前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、該第１の燃料電池セル群と比較して酸化剤ガス流量が多い前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群としてもよい。前記発電出力は、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つであってもよい。
【００１０】
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの定格出力を低下させてもよい。前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを燃焼させることによって前記燃料電池スタックを加熱する燃焼室を備え、前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルへの燃料ガス供給量を増加させてもよい。
【００１１】
改質水と原燃料とから水蒸気改質反応によって前記燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池スタックは、前記改質器に沿って配置され、前記第１の燃料電池セル群は、前記改質器の改質水入口側に配置された燃料電池セル群であり、前記第２の燃料電池セル群は、前記第１の燃料電池セル群よりも、前記改質器の燃料ガス出口側に配置された燃料電池セル群であってもよい。
【００１２】
前記第１の燃料電池セル群および前記第２の燃料電池セル群は、並行配置され、前記改質器は、前記第１の燃料電池セル群の積層方向に沿って延び、折り返して、前記第２の燃料電池のセル群の積層方向に沿って延びるように設けられていてもよい。
【００１３】
本発明に係る他の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う劣化判定部と、を備えていてもよい。本発明に係る他の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる。前記劣化判定部によって前記燃料電池スタックが劣化していると判定された場合に、ユーザに劣化に係る情報を報知する報知手段を備えていてもよい。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出ステップと、該検出ステップにより検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更ステップと、を含む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の制御方法においては、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる。また、燃料電池スタック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。
【００１５】
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの運転条件を変更してもよい。前記所定値は、前記燃料電池スタックの発電出力が高いほど大きくてもよい。前記発電性能因子として、前記燃料電池セルの温度を用い、比較的低温の前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、該第１の燃料電池セル群と比較して高温の前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群としてもよい。
【００１６】
前記発電性能因子として、各前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガス流量を用い、酸化剤ガス流量が少ない前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、前記第１の燃料電池セル群と比較して酸化剤ガス流量が多い前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群としてもよい。前記発電出力は、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つであってもよい。
【００１７】
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの定格出力を低下させてもよい。前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを燃焼させることによって前記燃料電池スタックを加熱する燃焼ステップを含み、前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルへの燃料ガス供給量を増加させてもよい。
【００１８】
改質水と原燃料とから水蒸気改質反応によって前記燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池スタックは、前記改質器に沿って配置され、前記第１の燃料電池セル群は、前記改質器の改質水入口側に配置された燃料電池セル群であり、前記第２の燃料電池セル群は、前記第１の燃料電池セル群よりも、前記改質器の燃料ガス出口側に配置された燃料電池セル群であってもよい。
【００１９】
前記第１の燃料電池セル群および前記第２の燃料電池セル群は、並行配置され、前記改質器は、前記第１の燃料電池セル群の積層方向に沿って延び、折り返して、前記第２の燃料電池のセル群の積層方向に沿って延びるように設けられていてもよい。
【００２０】
本発明に係る他の燃料電池スタックの劣化判定方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出ステップと、該検出ステップにより検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う劣化判定ステップと、を含む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スタックの劣化判定方法においては、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる。前記劣化判定ステップにおいて前記燃料電池スタックが劣化していると判定された場合に、ユーザに劣化に係る情報を報知する報知ステップ手段を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。
【図３】燃料電池スタック装置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。
【図４】（ａ）は燃料電池スタック装置の全体構成を示す斜視図であり、４（ｂ）は（ａ）で示す酸化剤ガス導入部材を抜粋して示す斜視図であり、（ｃ）は改質器を説明するための部分斜視図である。
【図５】（ａ）は燃料電池スタック装置の全体構成を示す斜視図であり、（ｂ）はＡ列の燃料電池スタックおよびＢ列の燃料電池スタックの配列を改質器側から見た図であり、（ｃ）は各燃料電池スタックにおける温度を示す図である。
【図６】燃料電池スタックの温度と電解質の温度との関係を示す図である。
【図７】（ａ）は燃料電池スタックの発電電流と発電電圧および発電電力との関係を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図８】（ａ）は初期の燃料電池スタックの発電電力の時間経過を示す図であり、（ｂ）は劣化が進行した燃料電池スタックの発電電力の時間経過を示す図である。
【図９】燃料電池スタック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。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の区分けの例を示す図である。
【図１１】（ａ）は燃料電池スタックにおける温度と燃料ガス流量との関係の計算結果を示す図であり、（ｂ）は第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の区分けの例を示す図である。
【図１２】（ａ）は燃料電池スタックにおいて定格発電および最小発電が行われている際の酸化剤ガス流量の計算結果を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の区分けの例を示す図である。
【図１３】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。
【図１４】燃料電池スタック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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２４】
（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、燃料電池スタック装置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および電流センサ８２を備える。
【００２５】
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。
【００２６】
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、燃料電池スタック装置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。燃料電池スタック装置７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備える。
【００２７】
図２は、燃料電池スタック装置７０の燃料電池スタック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。
【００２８】
燃料ガス通路２２に水素を含む燃料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：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２９】
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Ｏ２−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。
【００３０】
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Ｙ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（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Ｙ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（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ＬａＣｒＯ３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。
【００３１】
図３は、燃料電池スタック装置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２３と酸素極２５とが対向するように積層されている。なお、図３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。
【００３２】
図４（ａ）は、燃料電池スタック装置７０の全体構成を示す斜視図である。図４（ｂ）は、（ａ）に示す燃料電池スタック装置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４（ａ）に示すように、燃料電池スタック装置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。
【００３３】
図４（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２２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２２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。
【００３４】
また、図４（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２２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。
【００３５】
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。
【００３６】
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４（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。
【００３７】
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、アノード７２に供給される。
【００３８】
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カソード７１に供給する。それにより、燃料電池スタック装置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を利用して燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池スタック装置７０（燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ）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。
【００３９】
電圧センサ８１は、燃料電池スタック装置７０の１枚以上の連続する燃料電池セル７４の群（第１燃料電池セル群）および他の一枚以上の連続する燃料電池セル７４の群（第２燃料電池セル群）の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。電流センサ８２は、燃料電池スタック装置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。
【００４０】
制御部１０は、各センサの検出結果に基づいて、燃料電池スタック装置７０の劣化判定を行い、その判定結果に基づいて燃料電池スタック装置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、燃料電池スタック装置７０の劣化の判定について説明する。なお、燃料電池スタック装置７０の劣化とは、例えば、燃料電池セル７４を構成する部材が経年変化した場合等のことをいう。
【００４１】
燃料電池スタック７５の性能が良好であれば、燃料電池スタック７５の温度、各燃料電池セル７４における酸素分圧、各燃料電池セル７４における水素分圧等の発電性能因子のばらつきが吸収され、所期の発電性能が実現される。しかしながら、燃料電池スタック７５の劣化が進行するに従って、発電性能因子のばらつきが生じると所期の発電性能が得られなくなることがある。この現象を利用して、燃料電池スタック７５の劣化を判定することができる。
【００４２】
まず、発電性能因子の一例として温度に着目し、燃料電池スタック７５の劣化について説明する。図５（ａ）は、燃料電池スタック装置７０の全体構成を示す斜視図である。図５（ｂ）は、Ａ列の燃料電池スタック７５ａ（第１燃料電池セル群）およびＢ列の燃料電池スタック７５ｂ（第２燃料電池セル群）の配列を改質器５０側から見た図である。燃料電池スタック７５ａの改質水入口側端が負極として機能し、他端側において燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとが接続され、燃料電池スタック７５ｂの燃料ガス出口側端が正極として機能する。
【００４３】
図５（ｃ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける温度を示す図である。なお、図５（ｃ）の横軸は各燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおけるセル積層方向を示す。図５（ｃ）においては、横軸左側が気化部５１の改質水入口側を示し、横軸右側が改質水流動方向を示す。気化部５１において改質水が気化することから、気化部５１の温度は、改質部５２の温度よりも低くなる。したがって、燃料電池スタック７５ａの温度は、燃料電池スタック７５ｂの温度と比較して低くなる。
【００４４】
一方、燃料電池スタックの発電性能に直結する電解質の導電率は、燃料電池スタックの温度と密接な関係を有する。図６は、燃料電池スタックの温度と電解質の温度との関係を示す図である。図６の実線は、通常の燃料電池スタックの温度と電解質の導電率との関係を示す図である。図６の実線に示すように、燃料電池スタックの温度が低下するにつれて、電解質の導電率が低下する。それにより、燃料電池スタックの発電性能が低下する。一方で、燃料電池スタックの温度が上昇するにつれて、電解質の導電率が上昇する。それにより、燃料電池スタックの発電性能が向上する。通常の燃料電池スタックにおいては、電解質の導電率が高く維持されるため、比較的低温においても定格発電電力を得ることができる。図６の例では、比較的低温の６００℃において定格発電電力が得られている。
【００４５】
しかしながら、燃料電池スタックの発電時間の経過とともに、電解質の反応サイトの変質、閉塞等に起因して、燃料電池スタックに劣化が生じることがある。この場合、例えば、図６の破線に示すように、定格発電電力が得られるための温度が上昇することになる。図６の破線の例では、７００℃にならないと定格発電電力が得られていない。燃料電池スタックの劣化が進行すると、定格発電電力が得られる温度がさらに高くなる。
【００４６】
図７（ａ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの発電電流と発電電圧および発電電力との関係を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の部分拡大図である。図７（ａ）において、細実線は初期のＡ列スタック（燃料電池スタック７５ａ）の関係を示し、太実線は初期のＢ列スタック（燃料電池スタック７５ｂ）の関係を示し、細破線は劣化が進行したＡ列スタック（燃料電池スタック７５ａ）の関係を示し、太破線は劣化が進行したＢ列スタック（燃料電池スタック７５ｂ）の関係を示す。
【００４７】
図７（ａ）に示すように、初期の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいては、燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとの間で、同一の発電電流に対する発電電圧および発電電力にほとんど差が生じていない。しかしながら、劣化が進行するにつれて、燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとの間で、同一の発電電流に対する発電電圧および発電電力の差が大きくなる。また、図７（ｂ）に示すように、劣化が進行するにつれて、同一の発電電力を出力する際に発電電圧の差が大きくなっている。
【００４８】
図８（ａ）は、初期の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの発電出力の時間経過を示す図である。図８（ｂ）は、劣化が進行した燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの発電出力の時間経過を示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）においては、横軸は同一のスケールの時間を示している。また、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、初期においても劣化の進行後においても、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの合計の発電電力はほぼ一定に維持されている。
【００４９】
図８（ａ）に示すように、初期の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいては、スタック間において発電電圧の差はほとんど生じていない。これに対して、図８（ｂ）に示すように、劣化が進行した燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいては、スタック間において発電電圧の差が大きくなっている。
【００５０】
このように、燃料電池システムの運転において、温度の低い燃料電池セル群（第１燃料電池セル群）の発電電圧と、温度の高い燃料電池セル群（第２燃料電池セル群）の発電電圧とが乖離するようになる。この乖離率が所定の値よりも大きくなった場合に、発電電圧の低い燃料電池スタックが劣化していると判定することができる。なお、ここでいう乖離率（％）とは、｛（第２燃料電池セル群の発電電圧）−（第１燃料電池セル群の発電電圧）｝／（第２燃料電池セル群の発電電圧（または第１燃料電池セル群の発電電圧））×１００（％）と定義することができる。
【００５１】
また、発電電圧の他に、発電電流または発電電力の乖離率を用いることができる（以下、発電電圧、発電電流および発電電力を総称して発電出力と称する。）。例えば、同一の発電電流が維持されている場合に、第１燃料電池セル群の発電電力と第２燃料電池セル群の発電電力とが乖離するようになる。この乖離率が所定の値よりも大きくなった場合に、発電電力の低い燃料電池スタック（燃料電池セル群）が劣化していると判定することができる。なお、ここでいう乖離率（％）とは、｛（第２燃料電池セル群の発電電力）−（第１燃料電池セル群の発電電力）｝／（第２燃料電池セル群の発電電力（または第１燃料電池セル群の発電電力））×１００（％）と定義することができる。
【００５２】
また、同一の発電電圧が維持されている場合に、第１燃料電池セル群の発電電流と第２燃料電池セル群の発電電流とが乖離するようになる。この乖離率が所定の値よりも大きくなった場合に、発電電流の低い燃料電池スタック（燃料電池セル群）が劣化していると判定することができる。なお、ここでいう乖離率（％）とは、｛（第２燃料電池セル群の発電電流）−（第１燃料電池セル群の発電電流）｝／（第２燃料電池セル群の発電電流（または第１燃料電池セル群の発電電流））×１００（％）と定義することができる。
【００５３】
なお、劣化に伴って生じる上記の乖離率は、低負荷において小さくなりやすく、高負荷において大きくなりやすい。したがって、発電出力が大きい場合には、乖離率を用いて劣化を判断する場合のしきい値を大きくすることが好ましい。
【００５４】
図９は、燃料電池スタック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。図９のフローチャートでは、発電電圧の乖離率に着目する。まず、ＣＰＵ１２は、電圧センサ８１から、燃料電池スタック７５ａの発電電圧ＶＡおよび燃料電池スタック７５ｂの発電電圧ＶＢを取得する（ステップＳ１）。
【００５５】
次に、ＣＰＵ１２は、乖離率（％）＝（ＶＢ−ＶＡ）／ＶＢ×１００（％）がしきい値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、燃料電池スタック装置７０の運転条件を変更する（ステップＳ３）。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Ｓ２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。なお、図９のフローチャートにおいて、発電電圧の代わりに他の発電出力を用いてもよい。
【００５６】
図９のフローチャートによれば、燃料電池スタック７５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、ステップＳ３において、燃焼室６０における燃焼量を増加させることによって、燃料電池スタック７５ａの温度を上昇させることができる。この場合、燃料電池スタック７５ａの発電電圧を上昇させることができる。なお、燃焼室６０における燃焼量を増加させるためには、改質器５０への原燃料供給量を増加させて原燃料の利用効率を低下させる等の制御があげられる。燃焼室６０における可燃成分量が増加するからである。
【００５７】
また、燃料電池スタック装置７０の最大発電電力は、燃料電池スタック７５の劣化に伴って低下することがある。そこで、燃料電池スタック装置７０の定格出力を引き下げることによって、燃料電池スタック装置７０に過度の負荷がかかることを回避することができる。
【００５８】
なお、上記の例においては、燃料電池スタック７５ａ全体の発電電圧と燃料電池スタック７５ｂ全体の発電電圧との差から乖離率を検出しているが、それに限られない。例えば、燃料電池スタック７５ａを構成する燃料電池セル一枚当たりの発電電圧と燃料電池スタック７５ｂを構成する燃料電池セル一枚当たりの発電電圧との差から乖離率を検出してもよい。発電電流または発電電力の乖離率を検出する場合も、同様である。
【００５９】
また、上記の例においては、燃料電池スタック７５を比較的低温の燃料電池スタック７５ａと比較的高温の燃料電池スタック７５ｂとに２分割しているが、それに限られない。比較的低温の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第１燃料電池セル群とし、比較的高温の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第２燃料電池セル群とし、第１燃料電池セル群と第２燃料電池セル群との間の発電出力差から乖離率を検出してもよい。
【００６０】
ここで、図５（ｃ）に示すように、燃料電池スタック７５ａの温度は、気化部５１の改質水入口付近において最も低く、改質水の流動方向に進むにつれて徐々に高くなる。気化部５１の改質水入口付近における改質水の気化量が最も多いからである。したがって、図１０（ａ）に示すように、気化部５１の改質水入口付近に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的低温の第１燃料電池セル群とし、その他の領域に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的高温の第２燃料電池セル群としてもよい。
【００６１】
また、図１０（ｂ）に示すように、気化部５１に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的低温の第１燃料電池セル群とし、改質部５２のいずれかの領域に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的高温の第２燃料電池セル群としてもよい。また、図１０（ｃ）に示すように、気化部５１の全ての領域に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的低温の第１燃料電池セル群とし、改質部５２の全ての領域に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的高温の第２燃料電池セル群としてもよい。
【００６２】
また、発電電圧を検出する対象の第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群を定義するに際して、各燃料電池セル７４の水素分圧を考慮してもよい。具体的には、比較的低温の第１燃料電池セル群と比較的高温の第２燃料電池セル群とにおける水素分圧差が小さくなるように、第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群を決定してもよい。この場合、第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群における発電条件が近づくことから、発電出力の乖離率を用いた劣化判定精度が向上する。
【００６３】
図１１（ａ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける温度と燃料ガス流量との関係の計算結果を示す図である。図１１（ａ）において、横軸は積層方向における各燃料電池セル７４を示し、左側の縦軸は燃料ガス流量を示し、右側の縦軸は各燃料電池セル７４の温度を示す。横軸左側が気化部５１の改質水入口側を示し、横軸右側が改質水流動方向を示す。図１１（ａ）において、「●印」は、燃料電池スタック７５ａの各燃料電池セル７４の温度を示す。「△印」は、燃料電池スタック７５ｂの各燃料電池セル７４の温度を示す。「○印」は、燃料電池スタック７５ａの各燃料電池セル７４における燃料ガス流量を示す。「▲印」は、燃料電池スタック７５ｂの各燃料電池セル７４における燃料ガス流量を示す。
【００６４】
図１１（ａ）に示すように、各燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいて、積層方向中央部に比較して両端部において温度が低くなっている。これは、両端部からの放熱に起因する。なお、気化部５１の改質水入口側に位置する燃料電池セル７４において、温度が大幅に低くなっている。一方で、各燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいて、積層方向中央部に比較して両端部において燃料ガス流量が多くなっている。
【００６５】
そこで、図１１（ｂ）に示すように、燃料電池スタック７５ａの気化部５１側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第１燃料電池セル群とし、燃料電池スタック７５ｂの燃料ガス出口と反対側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第２燃料電池セル群としてもよい。この場合、第１燃料電池セル群が比較的低温となり第２燃料電池セル群が比較的高温となる一方で、第１燃料電池セル群と第２燃料電池セル群との間で水素分圧差が小さくなる。したがって、第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の発電条件が近づくことから、発電出力の乖離率を用いた劣化判定精度が向上する。
【００６６】
また、温度の高低ではなく、酸素分圧差に基づいて、発電出力を検出する対象の第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群を決定してもよい。図１２（ａ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいて、定格発電および最小発電が行われている際の酸化剤ガス流量の計算結果を示す図である。図１２（ａ）において、横軸は積層方向における各燃料電池セル７４を示し、縦軸は各燃料電池セル７４に供給される酸化剤ガス流量を示す。なお、最小発電とは、燃料電池スタック装置７０が所定の発電効率を維持することが可能な最小の発電のことである。
【００６７】
酸化剤ガスの分配は、酸化剤ガス導入部材７６の構造等によって異なるものである。図１２（ａ）の例では、各燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいて気化部５１側において酸化剤ガス流量が少なくなっており、反対側において酸化剤ガス流量が多くなっている。そこで、図１２（ｂ）に示すように、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの気化部５１側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第１燃料電池セル群とし、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの気化部５１と反対側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第２燃料電池セル群としてもよい。このように、第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群は、必ずしも、連続していなくてもよい。
【００６８】
なお、気化部５１における気化潜熱の影響を回避するために、図１２（ｃ）に示すように、燃料電池スタック７５ｂの気化部５１側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第１燃料電池セル群とし、燃料電池スタック７５ｂの気化部５１側と反対側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第２燃料電池セル群としてもよい。
【００６９】
また、温度の高低または酸素分圧差ではなく、水素分圧差（燃料ガス流量差）に基づいて、発電出力を検出する対象の第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群を決定してもよい。例えば、水素分圧が比較的高い燃料電池セル群を第１燃料電池セル群とし、第１燃料電池セル群よりも低い水素分圧の燃料電池セル群を第２燃料電池セル群としてもよい。
【００７０】
なお、発電性能因子に基づいた第１燃料電池セル群と第２燃料電池セル群との区分けは、上記に限定されるものではないが、スタック電圧取り出しの難易の観点から、Ａ列の燃料電池スタック７５ａを第１燃料電池セル群としかつＢ列の燃料電池スタック７５ｂを第２燃料電池セル群とすることが好ましい。この場合、第１燃料電池セル群と第２燃料電池セル群とが異なる列に区分けされるため、電圧の取り出しが容易となる。
【００７１】
本実施形態によれば、発電性能因子に基づいて区分けされた第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の発電出力の乖離率に基づいて、燃料電池スタック７５の劣化を判定することができる。また、乖離率に基づいて燃料電池スタック装置７０の運転条件を変更することによって、燃料電池スタック７５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。
【００７２】
（第２の実施形態）
燃料電池スタック装置７０の運転条件を変更することなく、燃料電池スタック７５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、点検後に燃料電池スタック７５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スタック装置７０の発電が不要になることがある。したがって、燃料電池スタック７５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、燃料電池スタック７５の劣化を判定する例について説明する。
【００７３】
図１３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、報知装置８０をさらに備える点である。例えば、報知装置８０は、燃料電池スタック７５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表示、警告音の発報等を行う。それにより、燃料電池スタック７５の交換等を早期に実施することができる。
【００７４】
図１４は、燃料電池スタック７５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、電圧センサ８１から、燃料電池スタック７５ａの発電電圧ＶＡおよび燃料電池スタック７５ｂの発電電圧ＶＢを取得する（ステップＳ１１）。
【００７５】
次に、ＣＰＵ１２は、乖離率（％）＝（ＶＢ−ＶＡ）／ＶＢ×１００（％）がしきい値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２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報知装置８０に報知させる（ステップＳ１３）。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Ｓ１２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１３のフローチャートによれば、燃料電池スタック７５の劣化に応じて、ユーザに適切な報知を行うことができる。なお、図１４のフローチャートにおいて、発電電圧の代わりに他の発電出力を用いてもよい。
【００７６】
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にも適用可能である。ただし、固体酸化物形のように高温の反応ガスを用いる燃料電池においては、温度差に基づいて発電性能が変化しやすい傾向にある。したがって、上記各実施形態は、固体酸化物形燃料電池に対して特に有効である。また、第２の実施形態に係る報知装置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、燃料電池スタック７５の交換を促すことができる。
【符号の説明】
【００７７】
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
４０ 酸化剤ガス供給部
５０ 改質器
６０ 燃焼室
７０ 燃料電池スタック装置
７１ カソード
７２ アノード
７４ 燃料電池セル
７５ 燃料電池スタック
８０ 報知装置
８１ 電圧センサ
８２ 電流センサ
９０ 熱交換器
１００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
燃料電池は、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、スタックごとの電圧および／または電流を検出して比較することによって、該スタックを構成するセルの破損を検出するセル破損検出装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−２７１３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、スタックのグループ分け基準が規定されておらず、異常セルが散在しているとスタックの劣化を検出することが困難である。また、スタックに異常セルが含まれていても、正常と判断される場合がある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更部と、を備え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、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる。また、燃料電池スタック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。
【０００８】
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの運転条件を変更してもよい。前記所定値は、前記燃料電池スタックの発電出力が高いほど大きくてもよい。前記発電性能因子として前記燃料電池セルの温度を用い、比較的低温の前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、該第１の燃料電池セル群と比較して高温の前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群としてもよい。
【０００９】
前記発電性能因子として各前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガス流量を用い、酸化剤ガス流量が比較的少ない前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、該第１の燃料電池セル群と比較して酸化剤ガス流量が多い前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群としてもよい。前記発電出力は、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つであってもよい。
【００１０】
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの定格出力を低下させてもよい。前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを燃焼させることによって前記燃料電池スタックを加熱する燃焼室を備え、前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルへの燃料ガス供給量を増加させてもよい。
【００１１】
改質水と原燃料とから水蒸気改質反応によって前記燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池スタックは、前記改質器に沿って配置され、前記第１の燃料電池セル群は、前記改質器の改質水入口側に配置された燃料電池セル群であり、前記第２の燃料電池セル群は、前記第１の燃料電池セル群よりも、前記改質器の燃料ガス出口側に配置された燃料電池セル群であってもよい。
【００１２】
前記第１の燃料電池セル群および前記第２の燃料電池セル群は、並行配置され、前記改質器は、前記第１の燃料電池セル群の積層方向に沿って延び、折り返して、前記第２の燃料電池のセル群の積層方向に沿って延びるように設けられていてもよい。
【００１３】
本発明に係る他の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う劣化判定部と、を備えていてもよい。本発明に係る他の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる。前記劣化判定部によって前記燃料電池スタックが劣化していると判定された場合に、ユーザに劣化に係る情報を報知する報知手段を備えていてもよい。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出ステップと、該検出ステップにより検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更ステップと、を含む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の制御方法においては、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる。また、燃料電池スタック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。
【００１５】
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの運転条件を変更してもよい。前記所定値は、前記燃料電池スタックの発電出力が高いほど大きくてもよい。前記発電性能因子として、前記燃料電池セルの温度を用い、比較的低温の前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、該第１の燃料電池セル群と比較して高温の前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群としてもよい。
【００１６】
前記発電性能因子として、各前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガス流量を用い、酸化剤ガス流量が少ない前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、前記第１の燃料電池セル群と比較して酸化剤ガス流量が多い前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群としてもよい。前記発電出力は、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つであってもよい。
【００１７】
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの定格出力を低下させてもよい。前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを燃焼させることによって前記燃料電池スタックを加熱する燃焼ステップを含み、前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルへの燃料ガス供給量を増加させてもよい。
【００１８】
改質水と原燃料とから水蒸気改質反応によって前記燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池スタックは、前記改質器に沿って配置され、前記第１の燃料電池セル群は、前記改質器の改質水入口側に配置された燃料電池セル群であり、前記第２の燃料電池セル群は、前記第１の燃料電池セル群よりも、前記改質器の燃料ガス出口側に配置された燃料電池セル群であってもよい。
【００１９】
前記第１の燃料電池セル群および前記第２の燃料電池セル群は、並行配置され、前記改質器は、前記第１の燃料電池セル群の積層方向に沿って延び、折り返して、前記第２の燃料電池のセル群の積層方向に沿って延びるように設けられていてもよい。
【００２０】
本発明に係る他の燃料電池スタックの劣化判定方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出ステップと、該検出ステップにより検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う劣化判定ステップと、を含む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スタックの劣化判定方法においては、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる。前記劣化判定ステップにおいて前記燃料電池スタックが劣化していると判定された場合に、ユーザに劣化に係る情報を報知する報知ステップ手段を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池スタックの劣化を簡易に判定することができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。
【図３】燃料電池スタック装置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。
【図４】（ａ）は燃料電池スタック装置の全体構成を示す斜視図であり、４（ｂ）は（ａ）で示す酸化剤ガス導入部材を抜粋して示す斜視図であり、（ｃ）は改質器を説明するための部分斜視図である。
【図５】（ａ）は燃料電池スタック装置の全体構成を示す斜視図であり、（ｂ）はＡ列の燃料電池スタックおよびＢ列の燃料電池スタックの配列を改質器側から見た図であり、（ｃ）は各燃料電池スタックにおける温度を示す図である。
【図６】燃料電池スタックの温度と電解質の温度との関係を示す図である。
【図７】（ａ）は燃料電池スタックの発電電流と発電電圧および発電電力との関係を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図８】（ａ）は初期の燃料電池スタックの発電電力の時間経過を示す図であり、（ｂ）は劣化が進行した燃料電池スタックの発電電力の時間経過を示す図である。
【図９】燃料電池スタック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。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の区分けの例を示す図である。
【図１１】（ａ）は燃料電池スタックにおける温度と燃料ガス流量との関係の計算結果を示す図であり、（ｂ）は第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の区分けの例を示す図である。
【図１２】（ａ）は燃料電池スタックにおいて定格発電および最小発電が行われている際の酸化剤ガス流量の計算結果を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の区分けの例を示す図である。
【図１３】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。
【図１４】燃料電池スタック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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２４】
（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、燃料電池スタック装置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および電流センサ８２を備える。
【００２５】
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。
【００２６】
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、燃料電池スタック装置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。燃料電池スタック装置７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備える。
【００２７】
図２は、燃料電池スタック装置７０の燃料電池スタック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。
【００２８】
燃料ガス通路２２に水素を含む燃料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：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２９】
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Ｏ２−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。
【００３０】
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Ｙ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（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Ｙ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（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ＬａＣｒＯ３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。
【００３１】
図３は、燃料電池スタック装置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２３と酸素極２５とが対向するように積層されている。なお、図３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。
【００３２】
図４（ａ）は、燃料電池スタック装置７０の全体構成を示す斜視図である。図４（ｂ）は、（ａ）に示す燃料電池スタック装置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４（ａ）に示すように、燃料電池スタック装置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。
【００３３】
図４（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２２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２２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。
【００３４】
また、図４（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２２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。
【００３５】
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。
【００３６】
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４（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。
【００３７】
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、アノード７２に供給される。
【００３８】
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カソード７１に供給する。それにより、燃料電池スタック装置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を利用して燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池スタック装置７０（燃料電池スタック７５ａ，７５ｂ）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。
【００３９】
電圧センサ８１は、燃料電池スタック装置７０の１枚以上の連続する燃料電池セル７４の群（第１燃料電池セル群）および他の一枚以上の連続する燃料電池セル７４の群（第２燃料電池セル群）の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。電流センサ８２は、燃料電池スタック装置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。
【００４０】
制御部１０は、各センサの検出結果に基づいて、燃料電池スタック装置７０の劣化判定を行い、その判定結果に基づいて燃料電池スタック装置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、燃料電池スタック装置７０の劣化の判定について説明する。なお、燃料電池スタック装置７０の劣化とは、例えば、燃料電池セル７４を構成する部材が経年変化した場合等のことをいう。
【００４１】
燃料電池スタック７５の性能が良好であれば、燃料電池スタック７５の温度、各燃料電池セル７４における酸素分圧、各燃料電池セル７４における水素分圧等の発電性能因子のばらつきが吸収され、所期の発電性能が実現される。しかしながら、燃料電池スタック７５の劣化が進行するに従って、発電性能因子のばらつきが生じると所期の発電性能が得られなくなることがある。この現象を利用して、燃料電池スタック７５の劣化を判定することができる。
【００４２】
まず、発電性能因子の一例として温度に着目し、燃料電池スタック７５の劣化について説明する。図５（ａ）は、燃料電池スタック装置７０の全体構成を示す斜視図である。図５（ｂ）は、Ａ列の燃料電池スタック７５ａ（第１燃料電池セル群）およびＢ列の燃料電池スタック７５ｂ（第２燃料電池セル群）の配列を改質器５０側から見た図である。燃料電池スタック７５ａの改質水入口側端が負極として機能し、他端側において燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとが接続され、燃料電池スタック７５ｂの燃料ガス出口側端が正極として機能する。
【００４３】
図５（ｃ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける温度を示す図である。なお、図５（ｃ）の横軸は各燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおけるセル積層方向を示す。図５（ｃ）においては、横軸左側が気化部５１の改質水入口側を示し、横軸右側が改質水流動方向を示す。気化部５１において改質水が気化することから、気化部５１の温度は、改質部５２の温度よりも低くなる。したがって、燃料電池スタック７５ａの温度は、燃料電池スタック７５ｂの温度と比較して低くなる。
【００４４】
一方、燃料電池スタックの発電性能に直結する電解質の導電率は、燃料電池スタックの温度と密接な関係を有する。図６は、燃料電池スタックの温度と電解質の温度との関係を示す図である。図６の実線は、通常の燃料電池スタックの温度と電解質の導電率との関係を示す図である。図６の実線に示すように、燃料電池スタックの温度が低下するにつれて、電解質の導電率が低下する。それにより、燃料電池スタックの発電性能が低下する。一方で、燃料電池スタックの温度が上昇するにつれて、電解質の導電率が上昇する。それにより、燃料電池スタックの発電性能が向上する。通常の燃料電池スタックにおいては、電解質の導電率が高く維持されるため、比較的低温においても定格発電電力を得ることができる。図６の例では、比較的低温の６００℃において定格発電電力が得られている。
【００４５】
しかしながら、燃料電池スタックの発電時間の経過とともに、電解質の反応サイトの変質、閉塞等に起因して、燃料電池スタックに劣化が生じることがある。この場合、例えば、図６の破線に示すように、定格発電電力が得られるための温度が上昇することになる。図６の破線の例では、７００℃にならないと定格発電電力が得られていない。燃料電池スタックの劣化が進行すると、定格発電電力が得られる温度がさらに高くなる。
【００４６】
図７（ａ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの発電電流と発電電圧および発電電力との関係を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の部分拡大図である。図７（ａ）において、細実線は初期のＡ列スタック（燃料電池スタック７５ａ）の関係を示し、太実線は初期のＢ列スタック（燃料電池スタック７５ｂ）の関係を示し、細破線は劣化が進行したＡ列スタック（燃料電池スタック７５ａ）の関係を示し、太破線は劣化が進行したＢ列スタック（燃料電池スタック７５ｂ）の関係を示す。
【００４７】
図７（ａ）に示すように、初期の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいては、燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとの間で、同一の発電電流に対する発電電圧および発電電力にほとんど差が生じていない。しかしながら、劣化が進行するにつれて、燃料電池スタック７５ａと燃料電池スタック７５ｂとの間で、同一の発電電流に対する発電電圧および発電電力の差が大きくなる。また、図７（ｂ）に示すように、劣化が進行するにつれて、同一の発電電力を出力する際に発電電圧の差が大きくなっている。
【００４８】
図８（ａ）は、初期の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの発電出力の時間経過を示す図である。図８（ｂ）は、劣化が進行した燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの発電出力の時間経過を示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）においては、横軸は同一のスケールの時間を示している。また、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、初期においても劣化の進行後においても、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの合計の発電電力はほぼ一定に維持されている。
【００４９】
図８（ａ）に示すように、初期の燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいては、スタック間において発電電圧の差はほとんど生じていない。これに対して、図８（ｂ）に示すように、劣化が進行した燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいては、スタック間において発電電圧の差が大きくなっている。
【００５０】
このように、燃料電池システムの運転において、温度の低い燃料電池セル群（第１燃料電池セル群）の発電電圧と、温度の高い燃料電池セル群（第２燃料電池セル群）の発電電圧とが乖離するようになる。この乖離率が所定の値よりも大きくなった場合に、発電電圧の低い燃料電池スタックが劣化していると判定することができる。なお、ここでいう乖離率（％）とは、｛（第２燃料電池セル群の発電電圧）−（第１燃料電池セル群の発電電圧）｝／（第２燃料電池セル群の発電電圧（または第１燃料電池セル群の発電電圧））×１００（％）と定義することができる。
【００５１】
また、発電電圧の他に、発電電流または発電電力の乖離率を用いることができる（以下、発電電圧、発電電流および発電電力を総称して発電出力と称する。）。例えば、同一の発電電流が維持されている場合に、第１燃料電池セル群の発電電力と第２燃料電池セル群の発電電力とが乖離するようになる。この乖離率が所定の値よりも大きくなった場合に、発電電力の低い燃料電池スタック（燃料電池セル群）が劣化していると判定することができる。なお、ここでいう乖離率（％）とは、｛（第２燃料電池セル群の発電電力）−（第１燃料電池セル群の発電電力）｝／（第２燃料電池セル群の発電電力（または第１燃料電池セル群の発電電力））×１００（％）と定義することができる。
【００５２】
また、同一の発電電圧が維持されている場合に、第１燃料電池セル群の発電電流と第２燃料電池セル群の発電電流とが乖離するようになる。この乖離率が所定の値よりも大きくなった場合に、発電電流の低い燃料電池スタック（燃料電池セル群）が劣化していると判定することができる。なお、ここでいう乖離率（％）とは、｛（第２燃料電池セル群の発電電流）−（第１燃料電池セル群の発電電流）｝／（第２燃料電池セル群の発電電流（または第１燃料電池セル群の発電電流））×１００（％）と定義することができる。
【００５３】
なお、劣化に伴って生じる上記の乖離率は、低負荷において小さくなりやすく、高負荷において大きくなりやすい。したがって、発電出力が大きい場合には、乖離率を用いて劣化を判断する場合のしきい値を大きくすることが好ましい。
【００５４】
図９は、燃料電池スタック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。図９のフローチャートでは、発電電圧の乖離率に着目する。まず、ＣＰＵ１２は、電圧センサ８１から、燃料電池スタック７５ａの発電電圧ＶＡおよび燃料電池スタック７５ｂの発電電圧ＶＢを取得する（ステップＳ１）。
【００５５】
次に、ＣＰＵ１２は、乖離率（％）＝（ＶＢ−ＶＡ）／ＶＢ×１００（％）がしきい値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１２は、燃料電池スタック装置７０の運転条件を変更する（ステップＳ３）。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Ｓ２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。なお、図９のフローチャートにおいて、発電電圧の代わりに他の発電出力を用いてもよい。
【００５６】
図９のフローチャートによれば、燃料電池スタック７５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、ステップＳ３において、燃焼室６０における燃焼量を増加させることによって、燃料電池スタック７５ａの温度を上昇させることができる。この場合、燃料電池スタック７５ａの発電電圧を上昇させることができる。なお、燃焼室６０における燃焼量を増加させるためには、改質器５０への原燃料供給量を増加させて原燃料の利用効率を低下させる等の制御があげられる。燃焼室６０における可燃成分量が増加するからである。
【００５７】
また、燃料電池スタック装置７０の最大発電電力は、燃料電池スタック７５の劣化に伴って低下することがある。そこで、燃料電池スタック装置７０の定格出力を引き下げることによって、燃料電池スタック装置７０に過度の負荷がかかることを回避することができる。
【００５８】
なお、上記の例においては、燃料電池スタック７５ａ全体の発電電圧と燃料電池スタック７５ｂ全体の発電電圧との差から乖離率を検出しているが、それに限られない。例えば、燃料電池スタック７５ａを構成する燃料電池セル一枚当たりの発電電圧と燃料電池スタック７５ｂを構成する燃料電池セル一枚当たりの発電電圧との差から乖離率を検出してもよい。発電電流または発電電力の乖離率を検出する場合も、同様である。
【００５９】
また、上記の例においては、燃料電池スタック７５を比較的低温の燃料電池スタック７５ａと比較的高温の燃料電池スタック７５ｂとに２分割しているが、それに限られない。比較的低温の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第１燃料電池セル群とし、比較的高温の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第２燃料電池セル群とし、第１燃料電池セル群と第２燃料電池セル群との間の発電出力差から乖離率を検出してもよい。
【００６０】
ここで、図５（ｃ）に示すように、燃料電池スタック７５ａの温度は、気化部５１の改質水入口付近において最も低く、改質水の流動方向に進むにつれて徐々に高くなる。気化部５１の改質水入口付近における改質水の気化量が最も多いからである。したがって、図１０（ａ）に示すように、気化部５１の改質水入口付近に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的低温の第１燃料電池セル群とし、その他の領域に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的高温の第２燃料電池セル群としてもよい。
【００６１】
また、図１０（ｂ）に示すように、気化部５１に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的低温の第１燃料電池セル群とし、改質部５２のいずれかの領域に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的高温の第２燃料電池セル群としてもよい。また、図１０（ｃ）に示すように、気化部５１の全ての領域に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的低温の第１燃料電池セル群とし、改質部５２の全ての領域に位置する燃料電池セル７４から構成される燃料電池セル群を比較的高温の第２燃料電池セル群としてもよい。
【００６２】
また、発電電圧を検出する対象の第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群を定義するに際して、各燃料電池セル７４の水素分圧を考慮してもよい。具体的には、比較的低温の第１燃料電池セル群と比較的高温の第２燃料電池セル群とにおける水素分圧差が小さくなるように、第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群を決定してもよい。この場合、第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群における発電条件が近づくことから、発電出力の乖離率を用いた劣化判定精度が向上する。
【００６３】
図１１（ａ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおける温度と燃料ガス流量との関係の計算結果を示す図である。図１１（ａ）において、横軸は積層方向における各燃料電池セル７４を示し、左側の縦軸は燃料ガス流量を示し、右側の縦軸は各燃料電池セル７４の温度を示す。横軸左側が気化部５１の改質水入口側を示し、横軸右側が改質水流動方向を示す。図１１（ａ）において、「●印」は、燃料電池スタック７５ａの各燃料電池セル７４の温度を示す。「△印」は、燃料電池スタック７５ｂの各燃料電池セル７４の温度を示す。「○印」は、燃料電池スタック７５ａの各燃料電池セル７４における燃料ガス流量を示す。「▲印」は、燃料電池スタック７５ｂの各燃料電池セル７４における燃料ガス流量を示す。
【００６４】
図１１（ａ）に示すように、各燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいて、積層方向中央部に比較して両端部において温度が低くなっている。これは、両端部からの放熱に起因する。なお、気化部５１の改質水入口側に位置する燃料電池セル７４において、温度が大幅に低くなっている。一方で、各燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいて、積層方向中央部に比較して両端部において燃料ガス流量が多くなっている。
【００６５】
そこで、図１１（ｂ）に示すように、燃料電池スタック７５ａの気化部５１側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第１燃料電池セル群とし、燃料電池スタック７５ｂの燃料ガス出口と反対側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第２燃料電池セル群としてもよい。この場合、第１燃料電池セル群が比較的低温となり第２燃料電池セル群が比較的高温となる一方で、第１燃料電池セル群と第２燃料電池セル群との間で水素分圧差が小さくなる。したがって、第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の発電条件が近づくことから、発電出力の乖離率を用いた劣化判定精度が向上する。
【００６６】
また、温度の高低ではなく、酸素分圧差に基づいて、発電出力を検出する対象の第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群を決定してもよい。図１２（ａ）は、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいて、定格発電および最小発電が行われている際の酸化剤ガス流量の計算結果を示す図である。図１２（ａ）において、横軸は積層方向における各燃料電池セル７４を示し、縦軸は各燃料電池セル７４に供給される酸化剤ガス流量を示す。なお、最小発電とは、燃料電池スタック装置７０が所定の発電効率を維持することが可能な最小の発電のことである。
【００６７】
酸化剤ガスの分配は、酸化剤ガス導入部材７６の構造等によって異なるものである。図１２（ａ）の例では、各燃料電池スタック７５ａ，７５ｂにおいて気化部５１側において酸化剤ガス流量が少なくなっており、反対側において酸化剤ガス流量が多くなっている。そこで、図１２（ｂ）に示すように、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの気化部５１側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第１燃料電池セル群とし、燃料電池スタック７５ａ，７５ｂの気化部５１と反対側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第２燃料電池セル群としてもよい。このように、第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群は、必ずしも、連続していなくてもよい。
【００６８】
なお、気化部５１における気化潜熱の影響を回避するために、図１２（ｃ）に示すように、燃料電池スタック７５ｂの気化部５１側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第１燃料電池セル群とし、燃料電池スタック７５ｂの気化部５１側と反対側の１枚以上の燃料電池セル７４の群を第２燃料電池セル群としてもよい。
【００６９】
また、温度の高低または酸素分圧差ではなく、水素分圧差（燃料ガス流量差）に基づいて、発電出力を検出する対象の第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群を決定してもよい。例えば、水素分圧が比較的高い燃料電池セル群を第１燃料電池セル群とし、第１燃料電池セル群よりも低い水素分圧の燃料電池セル群を第２燃料電池セル群としてもよい。
【００７０】
なお、発電性能因子に基づいた第１燃料電池セル群と第２燃料電池セル群との区分けは、上記に限定されるものではないが、スタック電圧取り出しの難易の観点から、Ａ列の燃料電池スタック７５ａを第１燃料電池セル群としかつＢ列の燃料電池スタック７５ｂを第２燃料電池セル群とすることが好ましい。この場合、第１燃料電池セル群と第２燃料電池セル群とが異なる列に区分けされるため、電圧の取り出しが容易となる。
【００７１】
本実施形態によれば、発電性能因子に基づいて区分けされた第１燃料電池セル群および第２燃料電池セル群の発電出力の乖離率に基づいて、燃料電池スタック７５の劣化を判定することができる。また、乖離率に基づいて燃料電池スタック装置７０の運転条件を変更することによって、燃料電池スタック７５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。
【００７２】
（第２の実施形態）
燃料電池スタック装置７０の運転条件を変更することなく、燃料電池スタック７５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、点検後に燃料電池スタック７５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スタック装置７０の発電が不要になることがある。したがって、燃料電池スタック７５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、燃料電池スタック７５の劣化を判定する例について説明する。
【００７３】
図１３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、報知装置８０をさらに備える点である。例えば、報知装置８０は、燃料電池スタック７５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表示、警告音の発報等を行う。それにより、燃料電池スタック７５の交換等を早期に実施することができる。
【００７４】
図１４は、燃料電池スタック７５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、電圧センサ８１から、燃料電池スタック７５ａの発電電圧ＶＡおよび燃料電池スタック７５ｂの発電電圧ＶＢを取得する（ステップＳ１１）。
【００７５】
次に、ＣＰＵ１２は、乖離率（％）＝（ＶＢ−ＶＡ）／ＶＢ×１００（％）がしきい値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２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報知装置８０に報知させる（ステップＳ１３）。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Ｓ１２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１３のフローチャートによれば、燃料電池スタック７５の劣化に応じて、ユーザに適切な報知を行うことができる。なお、図１４のフローチャートにおいて、発電電圧の代わりに他の発電出力を用いてもよい。
【００７６】
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にも適用可能である。ただし、固体酸化物形のように高温の反応ガスを用いる燃料電池においては、温度差に基づいて発電性能が変化しやすい傾向にある。したがって、上記各実施形態は、固体酸化物形燃料電池に対して特に有効である。また、第２の実施形態に係る報知装置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、燃料電池スタック７５の交換を促すことができる。
【符号の説明】
【００７７】
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
４０ 酸化剤ガス供給部
５０ 改質器
６０ 燃焼室
７０ 燃料電池スタック装置
７１ カソード
７２ アノード
７４ 燃料電池セル
７５ 燃料電池スタック
８０ 報知装置
８１ 電圧センサ
８２ 電流センサ
９０ 熱交換器
１００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、
該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの運転条件を変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定値は、前記燃料電池スタックの発電出力が高いほど大きいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記発電性能因子として、前記燃料電池セルの温度を用い、
比較的低温の前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、
該第１の燃料電池セル群と比較して高温の前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記発電性能因子として、各前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガス流量を用い、
酸化剤ガス流量が比較的少ない前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、
該第１の燃料電池セル群と比較して酸化剤ガス流量が多い前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記発電出力は、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つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの定格出力を低下させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを燃焼させることによって前記燃料電池スタックを加熱する燃焼室を備え、
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルへの燃料ガス供給量を増加させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
改質水と原燃料とから水蒸気改質反応によって前記燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池スタックは、前記改質器に沿って配置され、
前記第１の燃料電池セル群は、前記改質器の改質水入口側に配置された燃料電池セル群であり、
前記第２の燃料電池セル群は、前記第１の燃料電池セル群よりも、前記改質器の燃料ガス出口側に配置された燃料電池セル群であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１の燃料電池セル群および前記第２の燃料電池セル群は、並行配置され、
前記改質器は、前記第１の燃料電池セル群の積層方向に沿って延び、折り返して、前記第２の燃料電池のセル群の積層方向に沿って延びるように設けられていることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、
該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う劣化判定部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
前記劣化判定部によって前記燃料電池スタックが劣化していると判定された場合に、ユーザに劣化に係る情報を報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出ステップと、
該検出ステップにより検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの運転条件を変更することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
前記所定値は、前記燃料電池スタックの発電出力が高いほど大きいことを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
前記発電性能因子として、前記燃料電池セルの温度を用い、
比較的低温の前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、
該第１の燃料電池セル群と比較して高温の前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群とすることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１７】
前記発電性能因子として、各前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガス流量を用い、
酸化剤ガス流量が少ない前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、
該第１の燃料電池セル群と比較して酸化剤ガス流量が多い前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群とすることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１８】
前記発電出力は、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つであることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１９】
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの定格出力を低下させることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２０】
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを燃焼させることによって前記燃料電池スタックを加熱する燃焼ステップを含み、
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルへの燃料ガス供給量を増加させることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２１】
改質水と原燃料とから水蒸気改質反応によって前記燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池スタックは、前記改質器に沿って配置され、
前記第１の燃料電池セル群は、前記改質器の改質水入口側に配置された燃料電池セル群であり、
前記第２の燃料電池セル群は、前記第１の燃料電池セル群よりも、前記改質器の燃料ガス出口側に配置された燃料電池セル群であることを特徴とする請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２２】
前記第１の燃料電池セル群および前記第２の燃料電池セル群は、並行配置され、
前記改質器は、前記第１の燃料電池セル群の積層方向に沿って延び、折り返して、前記第２の燃料電池のセル群の積層方向に沿って延びるように設けられていることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２３】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出ステップと、
該検出ステップにより検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う劣化判定ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの劣化判定方法。
【請求項２４】
前記劣化判定ステップにおいて前記燃料電池スタックが劣化していると判定された場合に、ユーザに劣化に係る情報を報知する報知ステップ手段を含むことを特徴とする請求項２３記載の燃料電池スタックの劣化判定方法。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、
該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの運転条件を変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定値は、前記燃料電池スタックの発電出力が高いほど大きいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記発電性能因子として、前記燃料電池セルの温度を用い、
比較的低温の前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、
該第１の燃料電池セル群と比較して高温の前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記発電性能因子として、各前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガス流量を用い、
酸化剤ガス流量が比較的少ない前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、
該第１の燃料電池セル群と比較して酸化剤ガス流量が多い前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記発電出力は、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つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの定格出力を低下させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを燃焼させることによって前記燃料電池スタックを加熱する燃焼室を備え、
前記運転条件変更部は、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルへの燃料ガス供給量を増加させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
改質水と原燃料とから水蒸気改質反応によって前記燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池スタックは、前記改質器に沿って配置され、
前記第１の燃料電池セル群は、前記改質器の改質水入口側に配置された燃料電池セル群であり、
前記第２の燃料電池セル群は、前記第１の燃料電池セル群よりも、前記改質器の燃料ガス出口側に配置された燃料電池セル群であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１の燃料電池セル群および前記第２の燃料電池セル群は、並行配置され、
前記改質器は、前記第１の燃料電池セル群の積層方向に沿って延び、折り返して、前記第２の燃料電池のセル群の積層方向に沿って延びるように設けられていることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出部と、
該検出部により検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う劣化判定部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
前記劣化判定部によって前記燃料電池スタックが劣化していると判定された場合に、ユーザに劣化に係る情報を報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出ステップと、
該検出ステップにより検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池セルの運転条件を変更する運転条件変更ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの運転条件を変更することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
前記所定値は、前記燃料電池スタックの発電出力が高いほど大きいことを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
前記発電性能因子として、前記燃料電池セルの温度を用い、
比較的低温の前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、
該第１の燃料電池セル群と比較して高温の前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群とすることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１７】
前記発電性能因子として、各前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガス流量を用い、
酸化剤ガス流量が少ない前記燃料電池セル群を前記第１の燃料電池セル群とし、
該第１の燃料電池セル群と比較して酸化剤ガス流量が多い前記燃料電池セル群を前記第２の燃料電池セル群とすることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１８】
前記発電出力は、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つであることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１９】
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルの定格出力を低下させることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２０】
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを燃焼させることによって前記燃料電池スタックを加熱する燃焼ステップを含み、
前記運転条件変更ステップにおいて、前記乖離率が所定値以上になった場合に、前記燃料電池セルへの燃料ガス供給量を増加させることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２１】
改質水と原燃料とから水蒸気改質反応によって前記燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池スタックは、前記改質器に沿って配置され、
前記第１の燃料電池セル群は、前記改質器の改質水入口側に配置された燃料電池セル群であり、
前記第２の燃料電池セル群は、前記第１の燃料電池セル群よりも、前記改質器の燃料ガス出口側に配置された燃料電池セル群であることを特徴とする請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２２】
前記第１の燃料電池セル群および前記第２の燃料電池セル群は、並行配置され、
前記改質器は、前記第１の燃料電池セル群の積層方向に沿って延び、折り返して、前記第２の燃料電池のセル群の積層方向に沿って延びるように設けられていることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２３】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルの複数個が直列接続された燃料電池スタックにおいて、発電性能因子に基づいて区分けされた第１の燃料電池セル群および第２の燃料電池セル群の発電出力を検出する検出ステップと、
該検出ステップにより検出された前記第１の燃料電池セル群と前記第２の燃料電池セル群との間の発電出力の乖離率に基づいて、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う劣化判定ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの劣化判定方法。
【請求項２４】
前記劣化判定ステップにおいて前記燃料電池スタックが劣化していると判定された場合に、ユーザに劣化に係る情報を報知する報知ステップ手段を含むことを特徴とする請求項２３記載の燃料電池スタックの劣化判定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２４９１７１（Ｐ２０１１−２４９１７１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２２１１３（Ｐ２０１０−１２２１１３）
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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