特許 7484354 燃料電池システムおよび燃料不足判定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-08

(45)【発行日】2024-05-16

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよび燃料不足判定方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04664 20160101AFI20240509BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/04955 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240509BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04664

H01M8/0606

H01M8/04537

H01M8/0438

H01M8/04955

H01M8/04746

H01M8/12 101

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020067678

(22)【出願日】2020-04-03

(65)【公開番号】P2021163728

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-02-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】太田 光国

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－３８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１４２１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０３１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２４１２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－４５６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７５８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、原燃料ガスを改質して前記アノードガスを生成する改質器とを含む燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの出力電圧および出力電流から前記燃料電池スタックの内部抵抗を取得する抵抗取得部と、
前記抵抗取得部により取得される前記内部抵抗に基づいて、予め定められた第１時間における前記内部抵抗の平均である第１移動平均値と、前記第１時間よりも長い第２時間における前記内部抵抗の平均である第２移動平均値とを所定時間おきに算出する移動平均算出部と、
前記移動平均算出部により算出される前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との差に基づいて前記改質器から前記燃料電池スタックに供給される前記アノードガスが不足しているか否かを判定する判定部と、
備える燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記判定部は、前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との前記差が予め定められた閾値以上であるか否かを判定し、前記差が前記閾値以上である場合、前記改質器から前記燃料電池スタックに供給される前記アノードガスが不足しているとみなす燃料電池システム。

【請求項3】

請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記差が前記閾値以上であるときに、前記改質器への前記原燃料ガスを増量させるか、前記燃料電池スタックの出力を低下させるか、あるいは前記燃料電池スタックによる発電を停止させる燃料電池システム。

【請求項4】

アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、原燃料ガスを改質して前記アノードガスを生成する改質器とを含む燃料電池システムの燃料不足判定方法であって、
予め定められた第１時間における前記燃料電池スタックの内部抵抗の平均である第１移動平均値と、前記第１時間よりも長い第２時間における前記内部抵抗の平均である第２移動平均値とを所定時間おきに算出し、
前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との差に基づいて前記改質器から前記燃料電池スタックに供給される前記アノードガスが不足しているか否かを判定する、
燃料不足判定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを含む燃料電池システムおよび燃料不足判定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池（燃料電池スタック）と、蓄電手段と、電気負荷および燃料電池に接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、電気負荷および蓄電手段に接続された双方向性の第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを含む燃料電池電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池電源装置では、第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電手段から電気負荷に電力を供給すると共に、第１のＤＣ／ＤＣコンバータを制御して燃料電池の電流出力を停止させた状態における燃料電池の端子間電圧と、第１のＤＣ／ＤＣコンバータを制御して燃料電池の出力電流を第１の所定電流値とした状態における燃料電池の端子間電圧と、当該第１の所定電流値とに基づいて、燃料電池の内部抵抗値が算出される。そして、当該燃料電池の内部抵抗値の変化から燃料電池の劣化レベルが判定される。

【0003】

また、従来、複数の燃料電池セルを含むセルスタック（燃料電池スタック）と、セルスタックの出力電流を検出する電流検出手段と、セルスタックの出力電圧と当該セルスタックの特定部位における一つまたは複数の燃料電池セルの出力電圧とを検出可能な電圧検出手段と、燃料ガスの供給量、酸化剤ガスの供給量およびセルスタックの出力電流を制御可能である制御手段と、セルスタックの所定部位の温度を検出する温度検出手段とを含む燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池システムにおいて、制御手段は、セルスタックの温度が安定した状態で、出力電流と燃料ガスの供給量と酸化剤ガスの供給量とを一定の比率で変化させたとき、あるいは燃料ガスの供給量および酸化剤ガスの供給量を一定にしたままセルスタックの出力電流を変化させたときの電圧検出手段による検出結果に基づいてセルスタックの特定部位の劣化状態を判定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－１７６４９１号公報

【文献】特開２０１０－０２７５８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、固体酸化物形の燃料電池スタックを含む燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給されるアノードガス（燃料ガス）の不足に起因した当該燃料電池スタックの故障を防止するために、アノードガスの不足を的確に検知する必要がある。しかしながら、上記特許文献には、燃料電池スタックの劣化を判定するための手法が記載されてはいるものの、アノードガスの不足を判定する手法が何ら開示されていない。一方、アノードガスの流量を測定するために高精度な流量計を用いた場合には、燃料電池システムのコストアップを招いてしまう。また、アノードガスが不足した場合、燃料電池スタックの周辺の燃焼部で燃焼させるオフガスが減少して当該燃焼部における温度が低下するので、燃焼部の温度低下を検知することで、アノードガスの不足を検知することができるであろう。しかしながら、燃焼部の温度低下の時定数は長く、燃焼部の温度からアノードガスの不足を検知するのには時間を要してしまう。

【0006】

そこで、本開示は、コストアップを抑制しつつ、燃料電池スタックに供給されるアノードガスの不足を応答性よく検知することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、原燃料ガスを改質して前記アノードガスを生成する改質器とを含む燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの出力電圧および出力電流から前記燃料電池スタックの内部抵抗を取得する抵抗取得部と、前記抵抗取得部により取得される前記内部抵抗に基づいて、予め定められた第１時間における前記内部抵抗の平均である第１移動平均値と、前記第１時間よりも長い第２時間における前記内部抵抗の平均である第２移動平均値とを所定時間おきに算出する移動平均算出部と、前記移動平均算出部により算出される前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との差に基づいて前記改質器から前記燃料電池スタックに供給される前記アノードガスが不足しているか否かを判定する判定部とを含むものである。

【0008】

本開示の燃料電池システムにおいて、移動平均算出部は、予め定められた第１時間における燃料電池スタックの内部抵抗の平均である第１移動平均値と、第１時間よりも長い第２時間における内部抵抗の平均である第２移動平均値とを所定時間おきに算出する。そして、判定部は、第１移動平均値と第２移動平均値との差に基づいて、改質器から燃料電池スタックに供給されるアノードガスが不足しているか否かを判定する。すなわち、燃料電池スタックの発電中に改質器から当該燃料電池スタックに供給されるアノードガスが減少（不足）すると、燃料電池スタックの内部抵抗が大きくなり、第１移動平均値は第２移動平均値に比べて早期に増加する。従って、第１および第２移動平均値の差を監視することで、アノードガスの流量を精度よく検出可能な流量計を用いることなく、改質器から燃料電池スタックに供給されるアノードガスが不足しているか否かを速やかに判定することができる。これにより、本開示の燃料電池システムでは、コストアップを抑制しつつ、燃料電池スタックに供給されるアノードガスの不足を応答性よく検知することが可能となる。

【0009】

また、前記判定部は、前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との前記差が予め定められた閾値以上であるか否かを判定し、前記差が前記閾値以上である場合、前記改質器から前記燃料電池スタックに供給される前記アノードガスが不足しているとみなすものであってもよい。

【0010】

更に、前記燃料電池システムは、前記差が前記閾値以上であるときに、前記改質器への前記原燃料ガスを増量させるか、前記燃料電池スタックの出力を低下させるか、あるいは前記燃料電池スタックによる発電を停止させるものであってもよい。

【0011】

本開示の燃料不足判定方法は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、原燃料ガスを改質して前記アノードガスを生成する改質器とを含む燃料電池システムの燃料不足判定方法であって、予め定められた第１時間における前記内部抵抗の平均である第１移動平均値と、前記第１時間よりも長い第２時間における前記内部抵抗の平均である第２移動平均値とを所定時間おきに算出し、前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との差に基づいて前記改質器から前記燃料電池スタックに供給される前記アノードガスが不足しているか否かを判定するものである。

【0012】

かかる方法によれば、コストアップを抑制しつつ、燃料電池スタックに供給されるアノードガスの不足を応答性よく検知することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の燃料電池システムを示す概略構成図である。

【図2】本開示の燃料電池システムにおいて実行される燃料不足判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【図3】図２の燃料不足判定ルーチンが実行される間の燃料利用率、燃焼電池スタックの出力電圧、第１および第２移動平均値の時間変化を例示するタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

【0015】

図１は、本開示の燃料電池システム１０を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム１０は、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタックＦＣＳを有する発電ユニット２０と、湯水を貯留する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０とを含むコジェネレーションシステムである。また、発電ユニット２０は、燃料電池スタックＦＣＳや、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１、気化器（蒸発器）３３、２つの改質器３４等を含む発電モジュール３０と、発電モジュール３０の気化器３３に例えば都市ガス（天然ガス）やＬＰガスといった原燃料ガス（原燃料）を供給するための原燃料ガス供給系統４０と、発電モジュール３０の燃料電池スタックＦＣＳにカソードガスとしての空気を供給するためのカソードガス供給系統５０と、発電モジュール３０の気化器３３に改質水を供給するための改質水供給系統５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収するための排熱回収系統６０と、燃料電池スタックＦＣＳの出力端子に接続されたパワーコンディショナ７１と、これらを収容する筐体２２とを含む。

【0016】

本実施形態において、発電モジュール３０は、２つの燃料電池スタックＦＣＳを含み、２つの燃料電池スタックＦＣＳは、間隔をおいて互いに対向するようにモジュールケース３１内に配置されたマニホールド３２上に設置される。各燃料電池スタックＦＣＳは、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有すると共に図１中左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルＳＣを含む。各単セルＳＣのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が単セルＳＣの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。また、各単セルＳＣのカソード電極の周囲には、カソードガスを流通させる図示しないカソードガス通路が単セルＳＣの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。各単セルＳＣのアノードガス通路は、マニホールド３２に形成された図示しないアノードガス通路に接続され、各単セルＳＣのカソードガス通路は、モジュールケース３１内の図示しないカソードガス通路に接続される。

【0017】

発電モジュール３０の気化器３３および改質器３４は、モジュールケース３１内の２つの燃料電池スタックＦＣＳの上方に両者と間隔をおいて配設される。本実施形態では、一方の燃料電池スタックＦＣＳの上方に気化器３３および一方の改質器３４が配置され、他方の燃料電池スタックＦＣＳの上方に他方の改質器３４が配置される。更に、一方の燃料電池スタックＦＣＳと気化器３３および一方の改質器３４との間、並びに他方の燃料電池スタックＦＣＳと他方の改質器３４との上下方向における間には、燃料電池スタックＦＣＳの作動や、気化器３３および改質器３４での反応に必要な熱を発生させる燃焼部３５が画成されている。各燃焼部３５には、点火ヒータ３６が設置され、少なくとも何れか一方の燃焼部３５には、燃料電池スタックＦＣＳに近接するように温度センサ３７が設置されている。

【0018】

気化器３３は、燃焼部３５からの熱により原燃料ガス供給系統４０からの原燃料ガスと改質水供給系統５５からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器３３により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混ざり合い、予熱された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、当該気化器３３から改質器３４に流入する。改質器３４は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部３５からの熱の存在下で、改質触媒による気化器３３からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器３４は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器３４によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器３４により生成されたアノードガスは、図示しない配管やマニホールド３２のアノードガス通路を介して各単セルＳＣのアノード電極に供給される。

【0019】

また、燃料電池スタックＦＣＳの各単セルＳＣのカソード電極には、モジュールケース３１内のカソードガス通路を介して酸素を含むカソードガスとしての空気が供給される。各単セルＳＣのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ₂ ^-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルＳＣにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルＳＣのアノードガス通路やカソードガス通路から上方の燃焼部３５へと流出する。

【0020】

各単セルＳＣから燃焼部３５に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルＳＣから燃焼部３５に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ３６により点火させられて燃焼部３５でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタックＦＣＳの作動や、気化器３３での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器３４での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、オフガスの燃焼に伴い、燃焼部３５では、水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。

【0021】

図１に示すように、原燃料ガス供給系統４０は、都市ガスやＬＰガスを供給する原燃料供給源１と気化器３３とを結ぶ原燃料ガス供給管４１と、当該原燃料ガス供給管４１に組み込まれた原燃料ガス供給弁（電磁開閉弁）４２および原燃料ガスポンプ４４と、気化器３３と原燃料ガスポンプ４４との間に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれた例えば常温脱硫式の脱硫器４５とを含む。更に、原燃料ガス供給管４１の原燃料ガス供給弁４２と原燃料ガスポンプ４４との間には、圧力センサ４６と第１および第２流量計４７，４８とが組み込まれている。圧力センサ４６は、原燃料ガスポンプ４４の吐出口近傍に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれ、当該原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの圧力を検出する。第１および第２流量計４７，４８は、図示しない温度センサおよびヒータを含む熱式流量計であり、当該ヒータから熱が与えられた原燃料ガスの温度変化に基づいて、原燃料供給源１から改質器３４（気化器３３）に向けて原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量をそれぞれ検出する。

【0022】

カソードガス供給系統５０は、モジュールケース３１内のカソードガス通路に接続されるカソードガス供給管５１と、カソードガス供給管５１のガス入口に設置されたエアフィルタ５２と、カソードガス供給管５１に組み込まれたブロワ５３とを含む。ブロワ５３を作動させることで、エアフィルタ５２を介して吸入されたカソードガスとしての空気が当該ブロワ５３により上記カソードガス通路を介して各燃料電池スタックＦＣＳへと圧送（供給）される。また、カソードガス供給管５１には、当該カソードガス供給管５１を流通するカソードガスの単位時間あたりの流量が所定値に達するとオンする流量スイッチ５４が設置されている。

【0023】

改質水供給系統５５は、気化器３３に接続される改質水供給管５６と、改質水供給管５６に接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク５７と、改質水供給管５６に組み込まれた改質水ポンプ５８とを含む。改質水ポンプ５８を作動させることで、改質水タンク５７内の改質水が当該改質水ポンプ５８により気化器３３へと圧送（供給）される。また、改質水タンク５７内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。

【0024】

排熱回収系統６０は、給湯ユニット１００の貯湯タンク１０１に接続された循環配管６１と、循環配管６１を流通する湯水と発電モジュール３０の燃焼部３５からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器６２と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６３とを含む。循環ポンプ６３を作動させることで、当該循環ポンプ６３により貯湯タンク１０１に貯留されている湯水を熱交換器６２へと導入し、熱交換器６２で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク１０１へと返送することができる。

【0025】

更に、排熱回収系統６０は、循環配管６１に組み込まれたラジエータ６４と、ラジエータ６４に空気を送り込むラジエータファン（電動ファン）６５と、発電モジュール３０からの電力を消費して循環配管６１内の湯水を加熱する電気ヒータ（例えば、セラミックヒータ）６６と、循環配管６１内の湯水の温度を検出するサーミスタ（温度センサ）６７とを含む。ラジエータ６４は、熱交換器６２と循環ポンプ６３との間に位置するように循環配管６１に組み込まれ、電気ヒータ６６は、循環ポンプ６３とラジエータ６４との間に位置するように循環配管６１に組み込まれる。更に、サーミスタ６７は、電気ヒータ６６に近接するように当該電気ヒータ６６の下流側に設置される。

【0026】

電気ヒータ６６は、発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）に要求される出力が常用定格出力よりも低い場合、余剰電力を消費するように作動させられる。この際、温度センサ６７により検出される温度が設定温度になるように、循環ポンプ６３がデューティ制御されると共に、必要に応じてラジエータファン６５が作動させられる。これにより、発電モジュール３０に要求される出力が低い場合であっても、熱交換器６２により各燃料電池スタックＦＣＳの排熱を回収したり、電気ヒータ６６に発電モジュール３０の余剰電力を消費させたりしながら、発電モジュール３０の運転を継続させることが可能となる。また、ラジエータファン６５を適宜作動させてラジエータ６４に空気を送り込むことで、循環配管６１を流通する湯水を冷却し（放熱させ）、貯湯タンク１０１内の湯水の温度が必要以上に高まるのを抑制することができる。

【0027】

また、排熱回収系統６０の熱交換器６２（燃焼排ガスの通路）は、配管を介して改質水タンク５７に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク１０１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該配管を介して改質水タンク５７内に導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、排気管６８に接続されている。これにより、発電モジュール３０の燃焼部３５から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、排気管６８を介して大気中に排出される。

【0028】

パワーコンディショナ７１は、各燃料電池スタックＦＣＳからの直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータや、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータ等を含む（何れも図示省略）。パワーコンディショナ７１（インバータ）の出力端子は、系統電源２に接続された電力ライン３に接続される。これにより、系統電源２からの電力と、各燃料電池スタックＦＣＳからの電力（上記インバータにより変換された交流電力）との少なくとも何れか一方を家電製品等の複数の負荷４に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム１０は、パワーコンディショナ７１に接続された電源基板７２を含む。電源基板７２は、各燃料電池スタックＦＣＳからの直流電力や系統電源２からの交流電源を低圧の直流電力に変換し、原燃料ガス供給弁４２や原燃料ガスポンプ４４、ブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、ラジエータファン６５等の補機類、温度センサ３７等のセンサ類、更には制御装置８０等に当該直流電力を供給する。

【0029】

また、パワーコンディショナ７１や電源基板７２等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ７１や電源基板７２等を冷却するための冷却ファン（図示省略）と、換気ファン２４とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ７１や電源基板７２の発熱部に空気を送り込み、当該発熱部を冷却して昇温した空気は、換気ファン２４により大気中に排出される。

【0030】

制御装置８０は、ＣＰＵ８１や、各種プログラムを記憶するＲＯＭ８２、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３、入力ポートおよび出力ポート等（何れも図示省略）を含むコンピュータである。制御装置８０は、温度センサ３７や圧力センサ４６、第１および第２流量計４７，４８、サーミスタ６７等の検出値、流量スイッチ５４からの信号、電圧センサ８８により検出される発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）の出力電圧（スタック電圧）Ｖｓ、電流センサ８９により検出される発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）の出力電流（スタック電流）Ｉｓ等を入力ポートを介して入力する。また、制御装置８０は、換気ファン２４や、点火ヒータ３６、原燃料ガス供給弁４２のソレノイド、原燃料ガスポンプ４４、ブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、ラジエータファン６５、電気ヒータ６６、パワーコンディショナ７１（ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ）、電源基板７２，図示しない表示部等への制御信号を出力ポートを介して出力し、これらの機器を制御する。更に、制御装置８０には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置８０は、燃料電池システム１０のユーザーにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。

【0031】

ここで、上述のような燃料電池システム１０において、改質器３４から各燃料電池スタックＦＣＳに実際に供給されるアノードガスの流量が発電に要求される流量に対して不足した場合、酸素が過剰になることでアノード電極等が酸化されて膨張し、それにより燃料電池スタックＦＣＳが故障に至るおそれがある。このため、燃料電池システム１０では、改質器３４から各燃料電池スタックＦＣＳに供給されるアノードガスの流量の発電に要求される流量に対する不足を検知して各燃料電池スタックＦＣＳの故障を防止するために、制御装置８０により図２に示す燃料不足判定ルーチンが実行される。

【0032】

図２の燃料不足判定ルーチンは、発電モジュール３０の運転状態が定格運転状態である間に所定時間（例えば１秒）おきに繰り返し実行される。燃料不足判定ルーチンの開始に際して、制御装置８０（ＣＰＵ８１）は、各燃料電池スタックＦＣＳ（発電モジュール３０）の内部抵抗（スタック抵抗）ＲおよびフラグＦの値を取得する（ステップＳ１００）。内部抵抗Ｒは、電圧センサ８８により検出される発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）の出力電圧Ｖｓを電流センサ８９により検出される発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）の出力電流Ｉｓで除することにより別途算出されるものである。フラグＦは、発電モジュール３０の定格運転中に各燃料電池スタックＦＣＳに実際に供給されるアノードガスの流量が発電に要求される流量に対して不足していないときに値０に設定されるものである。

【0033】

ステップＳ１００の処理の後、制御装置８０は、取得した内部抵抗Ｒに基づいて、予め定められた第１時間である３０秒間における各燃料電池スタックＦＣＳの内部抵抗Ｒの平均である短期移動平均抵抗値（第１移動平均値）Ｒｓと、第１時間よりも長い第２時間である１８０秒間における内部抵抗Ｒの平均である長期移動平均抵抗値（第２移動平均値）Ｒｌとを算出する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０において、制御装置８０は、発電モジュール３０の運転状態が定格運転に移行した後に最初（１回目、ｋ＝１）に短期移動平均抵抗値Ｒｓを算出する際、次式（１）に従って、ステップＳ１００にて取得した内部抵抗Ｒをそのまま短期移動平均抵抗値Ｒｓとする。また、制御装置８０は、発電モジュール３０の定格運転中、２－３０回目（２≦ｋ≦３０）に短期移動平均抵抗値Ｒｓを算出する際、次式（２）に従って短期移動平均抵抗値Ｒｓを算出し、３１回目以降（ｋ≧３１）に短期移動平均抵抗値Ｒｓを算出する際、次式（３）に従って短期移動平均抵抗値Ｒｓを算出する。

【0034】

Ｒｓ（１）＝Ｒ …（１）
Ｒｓ（ｋ）＝Ｒｓ（ｋ－１）×（１－１／ｋ）＋Ｒ×１／ｋ …（２）
Ｒｓ（ｋ）＝Ｒｓ（ｋ－１）×（１－１／３０）＋Ｒ×１／３０ …（３）

【0035】

更に、ステップＳ１１０において、制御装置８０は、発電モジュール３０の運転状態が定格運転に移行した後に最初（１回目、ｋ＝１）に長期移動平均抵抗値Ｒｌを算出する際、次式（４）に従って、ステップＳ１００にて取得した内部抵抗Ｒをそのまま長期移動平均抵抗値Ｒｌとする。また、制御装置８０は、発電モジュール３０の定格運転中、２－１８０回目（２≦ｋ≦１８０）に長期移動平均抵抗値Ｒｌを算出する際、次式（５）に従って長期移動平均抵抗値Ｒｌを算出し、１８１回目以降（ｋ≧１８１）に長期移動平均抵抗値Ｒｌを算出する際、次式（６）に従って長期移動平均抵抗値Ｒｌを算出する。

【0036】

Ｒｌ（１）＝Ｒ …（４）
Ｒｌ（ｋ）＝Ｒｌ（ｋ－１）×（１－１／ｋ）＋Ｒ×１／ｋ …（５）
Ｒｌ（ｋ）＝Ｒｌ（ｋ－１）×（１－１／１８０）＋Ｒ×１／１８０ …（６）

【0037】

上記式（１）－（３）および上記式（４）－（６）を用いることで、短期移動平均抵抗値Ｒｓおよび長期移動平均抵抗値Ｒｌの算出に際して、内部抵抗Ｒ等を格納しておくためのＲＡＭ８３等の記憶領域を減らすことが可能となる。ただし、ステップＳ１１０では、過去の内部抵抗Ｒを必要な数（複数）だけＲＡＭ８３等に格納しておき、当該複数の内部抵抗Ｒに基づいて短期移動平均抵抗値Ｒｓおよび長期移動平均抵抗値Ｒｌを算出してもよい。

【0038】

短期移動平均抵抗値Ｒｓおよび長期移動平均抵抗値Ｒｌを算出した後、制御装置８０は、フラグＦが値０であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。フラグＦが値０であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、制御装置８０は、短期移動平均抵抗値Ｒｓから長期移動平均抵抗値Ｒｌを減じて両者の差ΔＲ（＝Ｒｓ－Ｒｌ）を算出する（ステップＳ１３０）。更に、制御装置８０は、差ΔＲが予め定められた閾値ΔＲｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。

【0039】

閾値ΔＲｒｅｆは、原燃料ガス供給系統４０から発電モジュール３０（各燃料電池スタックＦＣＳ）に供給される原燃料ガスのうちの実際に発電に利用されるアノードガスの割合である燃料利用率Ｕｆが定格運転時の目標値（例えば、８０％）よりも大きい値（例えば、８５％）であるときの短期移動平均抵抗値Ｒｓおよび長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差に基づいて定められる。差ΔＲが閾値ΔＲｒｅｆ未満であると判定した場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、制御装置８０は、各燃料電池スタックＦＣＳに実際に供給されるアノードガスの流量が発電に要求される流量に対して不足していないとみなし、燃料不足判定ルーチンを一旦終了させ、次の実行タイミングが到来した段階で、当該燃料不足判定ルーチンを再度実行する。

【0040】

これに対して、差ΔＲが閾値ΔＲｒｅｆ以上であると判定した場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、各燃料電池スタックＦＣＳに実際に供給されるアノードガスの流量が発電に要求される流量に対して不足しているとみなし、制御装置８０は、フラグＦを値１に設定した上で（ステップＳ１５０）、アノードガスの不足を解消するための処理（ステップＳ１６０）を実行する。ステップＳ１６０において、制御装置８０は、原燃料ガス供給系統４０から改質器３４に供給される原燃料ガスを増量させるか、あるいは発電モジュール３０（各燃料電池スタックＦＣＳ）の出力を低下させる。ステップＳ１６０の処理を実行した後、制御装置８０は、燃料不足判定ルーチンを一旦終了させ、次の実行タイミングが到来した段階で、当該燃料不足判定ルーチンを再度実行する。

【0041】

また、上記ステップＳ１５０にてフラグＦが値１に設定したされた後に燃料不足判定ルーチンが実行されると、ステップＳ１２０にて否定判定がなされる。この場合、制御装置８０は、ステップＳ１５０にてフラグＦが値１に設定されてから所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１７０）。フラグＦが値１に設定されてから上記所定時間が経過していないと判定した場合（ステップＳ１７０：ＮＯ）、制御装置８０は、上記ステップＳ１７０の処理を実行して燃料不足判定ルーチンを一旦終了させる。また、フラグＦが値１に設定されてから所定時間が経過したと判定した場合（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、フラグＦを値０に設定すると共にアノードガスの不足を解消するための処理を停止させ（ステップＳ１８０）、燃料不足判定ルーチンを一旦終了させる。

【0042】

上述のような燃料不足判定ルーチンが実行される結果、燃料電池システム１０では、発電モジュール３０の定格運転中に、３０秒間における各燃料電池スタックＦＣＳの内部抵抗Ｒの平均である短期移動平均抵抗値（第１移動平均値）Ｒｓと、１８０秒間における内部抵抗Ｒの平均である長期移動平均抵抗値（第２移動平均値）Ｒｌとが、移動平均算出部としての制御装置８０により燃料不足判定ルーチンの実行周期である１秒（所定時間）おきに算出されていく（ステップＳ１１０）。そして、判定部としての制御装置８０は、短期移動平均抵抗値Ｒｓと長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差ΔＲに基づいて、改質器３４から各燃料電池スタックＦＣＳに供給されるアノードガスが不足しているか否かを判定する（ステップＳ１３０，Ｓ１４０）。

【0043】

すなわち、発電モジュール３０の発電中に改質器３４から各燃料電池スタックＦＣＳに供給されるアノードガスが減少（不足）すると、各燃料電池スタックＦＣＳの内部抵抗Ｒが大きくなり、ステップＳ１００にて取得される内部抵抗Ｒのばらつきが大きかったとしても、短期移動平均抵抗値Ｒｓ（図中実線参照）は、図３に示すように、長期移動平均抵抗値Ｒｌ（図中破線参照）に比べて早期に増加する。従って、短期移動平均抵抗値Ｒｓと長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差ΔＲを監視することで、アノードガスの流量を精度よく検出可能な流量計を用いることなく、改質器３４から各燃料電池スタックＦＣＳに供給されるアノードガスが不足しているか否かを速やかに判定することができる。これにより、燃料電池システム１０では、コストアップを抑制しつつ、各燃料電池スタックＦＣＳに供給されるアノードガスの不足を応答性よく検知し、アノードガスの不足を解消するための処理（ステップＳ１６０）を実行することが可能となる。

【0044】

ここで、図３に示すように、燃料利用率Ｕｆが、燃料不足により例えば８０％から９０％に増加した場合、各燃料電池ＦＣＳの内部抵抗Ｒは、およそ３０分で０．２Ω程度上昇する。これに対して、燃料電池ＦＣＳの劣化による内部抵抗Ｒの増加分は、燃料電池システム１０の稼働時間がおよそ１万時間に達した段階で０．１Ω程度である。従って、アノードガスの不足による内部抵抗Ｒの増加は、燃料電池ＦＣＳの劣化による内部抵抗Ｒの増加分から明確に切り分け可能であり、燃料電池システム１０の使用期間が長期化しても、短期移動平均抵抗値Ｒｓと長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差ΔＲからアノードガスの不足を応答性よく検知することができる。

【0045】

また、判定部としての制御装置８０は、短期移動平均抵抗値Ｒｓと長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差ΔＲが閾値ΔＲｒｅｆ以上であるか否かを判定し（ステップＳ１３０－Ｓ１５０）、差ΔＲが閾値ΔＲｒｅｆ以上である場合、改質器３４から各燃料電池スタックＦＣＳに供給されるアノードガスが不足しているとみなす。そして、閾値Ｒｒｅｆは、燃料利用率Ｕｆが定格運転時の目標値よりも大きい値であるときの短期移動平均抵抗値Ｒｓおよび長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差（＝Ｒｓ－Ｒｌ）に基づいて定められる。これにより、閾値ΔＲｒｅｆを適正に定めると共に、差ΔＲと閾値ΔＲｒｅｆとの比較によりアノードガスの不足を的確に検知することが可能となる。

【0046】

なお、燃料電池システム１０では、短期移動平均抵抗値Ｒｓと長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差ΔＲが閾値ΔＲｒｅｆ以上であるときに、原燃料ガス供給系統４０から改質器３４に供給される原燃料ガスが増量させられるか、あるいは発電モジュール３０（各燃料電池スタック）の出力を低下させられるが、これに限られるものではない。すなわち、図２のステップＳ１４０にて短期移動平均抵抗値Ｒｓと長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差ΔＲが閾値ΔＲｒｅｆ以上であると判定されたときには、発電モジュール３０（各燃料電池スタックＦＣＳ）による発電が停止されるように燃料電池システム１０をシステム停止させてもよい。また、短期移動平均抵抗値Ｒｓを算出するための第１時間は、３０秒に限られるものではなく、アノードガスが不足した際の長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差を充分に確保し、かつアノードガスの不足を応答性よく検知可能な範囲で、３０秒よりも短く定められてもよく、３０秒よりも長く定められてもよい。更に、長期移動平均抵抗値Ｒｌを算出するための第２時間も、１８０秒に限られるものではなく、アノードガスが不足した際の短期移動平均抵抗値Ｒｓとの差を充分に確保し、かつアノードガスの不足を応答性よく検知可能な範囲で、１８０秒よりも短く定められてもよく、１８０秒よりも長く定められてもよい。

【0047】

以上説明したように、本開示の燃料電池システム１０は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックＦＣＳと、原燃料ガスを改質してアノードガスを生成する改質器３４と、制御装置８０とを含む。そして、制御装置８０は、燃料電池スタックＦＣＳの出力電圧Ｖｓおよび出力電流Ｉｓから燃料電池スタックＦＣＳの内部抵抗Ｒを取得する抵抗取得部（ステップＳ１００）と、内部抵抗Ｒに基づいて、予め定められた第１時間である３０秒間における内部抵抗Ｒの平均である短期移動平均抵抗値（第１移動平均値）Ｒｓと、第１時間よりも長い第２時間である１８０秒間における内部抵抗Ｒの平均である長期移動平均抵抗値（第２移動平均値）Ｒｌとを所定時間おきに算出する移動平均算出部（ステップＳ１１０）と、短期移動平均抵抗値Ｒｓと長期移動平均抵抗値Ｒｌとの差ΔＲに基づいて改質器３４から燃料電池スタックＦＣＳに供給されるアノードガスが不足しているか否かを判定する判定部（ステップＳ１４０，Ｓ１５０）として機能する。これにより、燃料電池システム１０では、コストアップを抑制しつつ、燃料電池スタックＦＣＳに供給されるアノードガスの不足を応答性よく検知することが可能となる。

【0048】

また、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。

【符号の説明】

【0050】

１ 原燃料供給源、２ 系統電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電ユニット、２２ 筐体、２４ 換気ファン、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ マニホールド、３３ 気化器、３４ 改質器、３５ 燃焼部、３６ 点火ヒータ、３７ 温度センサ、４０ 原燃料ガス供給系統、４１ 原燃料ガス供給管、４２ 原燃料ガス供給弁、４４ 原燃料ガスポンプ、４５ 脱硫器、４６ 圧力センサ、４７ 第１流量計、４８ 第２流量計、４９ 第３流量計、５０ カソードガス供給系統、５１ カソードガス供給管、５２ エアフィルタ、５３ ブロワ、５４ 流量スイッチ、５５ 改質水供給系統、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、６０ 排熱回収系統、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６４ ラジエータ、６５ ラジエータファン、６６ 電気ヒータ、６７ サーミスタ、６８ 排気管、７１ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８８ 電圧センサ、８９ 電流センサ、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、ＦＣＳ 燃料電池スタック、ＳＣ 単セル。

【図1】

【図2】

【図3】