專利名稱：燃料電池系統(tǒng)、燃料電池運行方法、程序以及記錄介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如用于控制高分子電解質(zhì)型燃料電池的發(fā)電異常產(chǎn)生等的燃料電池系統(tǒng)、燃料電池運行方法、程序以及記錄介質(zhì)。
背景技術(shù)：
燃料電池，是將含氧的氧化劑提供給陰極，將含氫的燃料氣體提供給陽極而進行發(fā)電的，由一對陰極和陽極組成的燃料電池單元，或者將多個燃料電池單元串聯(lián)連接的燃料電池組而構(gòu)成。
一般，通過監(jiān)視燃料電池單元的電壓來檢測燃料電池的發(fā)電異常，但是用這個方法來判定發(fā)電異常的原因是困難的。
如果更具體地說，就是無法判定燃料電池單元的電壓下降的原因，是由于氣體擴散被阻塞而增加了擴散電阻，還是由于電極的反應(yīng)性降低而增加了反應(yīng)電阻。
作為判定這種發(fā)電異常的原因的技術(shù)，有針對特定頻率預(yù)先測定正常狀態(tài)下的交流阻抗，將該特定頻率的交流成分也施加在發(fā)電中，來測定發(fā)電狀態(tài)下的阻抗，然后比較正常狀態(tài)下的交流阻抗和發(fā)電狀態(tài)下的阻抗(比如，參照專利文獻1)。
這里，將上述專利文獻的所有公告，原封不動地在這里引用(參照)，以便統(tǒng)一論述。
更具體地說，如同作為以往的燃料電池系統(tǒng)1的框圖的圖24所示，在多個電池組(也稱燃料電池組、PEFC組)21、22、…、2n上分別設(shè)置阻抗測定裝置71、72、…、7n，將由阻抗測定裝置71、72、…、7n產(chǎn)生的交流電壓施加在多個電池組21、22、…、2n上并測定阻抗。
至少以5Hz和40Hz的頻率施加交流電壓，從各個頻率中的阻抗求出擴散電阻和反應(yīng)電阻。
專利文獻1特開2002-367650號公報但是，要想從燃料電池的阻抗來判定異常，首先要精確地測定阻抗。
然而，在上述以往的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1中，由于相對于作為測定對象的電池組21、22、…、2n并聯(lián)連接著作為負載電路的逆變器6，因此如果不扣除逆變器6的阻抗，就無法測定每個電池組21、22、…、2n的阻抗。
逆變器6通常進行開關(guān)動作，其負載阻抗時時刻刻都在變化。
因此，扣除逆變器6的阻抗而精確地求出每個電池組21、22、…、2n的阻抗是困難的。
另外，如果在最佳狀態(tài)下運行燃料電池，就必須把握每個電池單元(也稱燃料電池單元、PEFC單元)31、32、…、3m的發(fā)電狀態(tài)。
但是，在上述以往的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1中，雖然可以測定電池組全體的阻抗，但是要據(jù)此推測每個電池單元31、32、…、3m的信息是困難的。
如果假定電池單元31、32、…、3m的阻抗是相同的，則可以從電池組全體的阻抗算出每個電池單元31、32、…、3m的阻抗。但是，實際上，構(gòu)成電池組21、22、…、2n的各單元處于各不相同的狀態(tài)，每個電池單元31、32、…、3m的阻抗也各不相同。因此，燃料電池組21、22、…、2n的阻抗是電池單元31、32、…、3m的阻抗的合成之物，但是從它的值卻幾乎不可能導出電池單元31、32、…、3m的阻抗。
當燃料電池組21、22、…、2n的發(fā)電電壓變差的異常時，其中的電池單元31、32、…、3m的一部分首先表現(xiàn)異常。
因此，本發(fā)明者認為為了在電壓變差的初期檢測出異常并進行適當?shù)目刂疲瑧?yīng)該把握每個電池單元31、32、…、3m的信息。
總之，特定出現(xiàn)異常的電池單元31、32、…、3m的位置對于了解異常的原因是重要的，只是測定燃料電池組21、22、…、2n的阻抗，不能夠充分地處理異常情況。
而且，通過在每個單元31、32、…、3m上設(shè)置阻抗測定裝置，當然可以把握每個電池單元31、32、…、3m的信息。但是，這就需要電池單元31、32、…、3m數(shù)量的阻抗測定裝置，由于成本大幅提高，因而是不現(xiàn)實的。
結(jié)果，就存在不能夠針對燃料電池的發(fā)電異常的原因采取可靠性高的處理的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮到所述的以往的課題，其目的在于提供一種對應(yīng)于燃料電池的發(fā)電異常的原因，可進行可靠性更高的處理的燃料電池系統(tǒng)、燃料電池運行方法、程序以及記錄介質(zhì)。
本發(fā)明的方案1是一種燃料電池系統(tǒng)，其中具備使相對用于發(fā)電而運行的燃料電池的負載電流進行變動的負載電流變動機構(gòu)；進行相對所述負載電流的變動的電壓應(yīng)答相關(guān)測定的測定機構(gòu)；根據(jù)所述電壓應(yīng)答相關(guān)的測定結(jié)果，進行所述燃料電池的阻抗相關(guān)計算的計算機構(gòu)；和利用所述阻抗相關(guān)的計算結(jié)果，使所述燃料電池的運行條件發(fā)生變化的燃料電池控制機構(gòu)。
本發(fā)明的方案2是本發(fā)明的方案1的燃料電池系統(tǒng)，其中當以串聯(lián)連接的、具有(1)電阻值Rs的電阻；(2)相當于所述單元的陽極的反應(yīng)阻抗的、并聯(lián)連接的電容值C1的電容器以及電阻值R1的電阻；(3)相當于所述單元的陰極的反應(yīng)阻抗的、并聯(lián)連接的電容值C2的電容器以及電阻值R2的電阻；(4)相當于所述單元的陰極的擴散阻抗的、并聯(lián)連接的電容值C3的電容器以及電阻值R3的電阻的、等效電路來表示所述燃料電池的單元的情況下，所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算，是所述電容值C1、所述電阻值R1、所述電容值C2、所述電阻值R2、所述電容值C3以及所述電阻值R3的計算。
本發(fā)明的方案3是本發(fā)明的方案2的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1與所述電阻值R1的組(C1，R1)，進入具有關(guān)于所述電容值C1的橫軸與關(guān)于所述電阻值R1的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a1(L)、常數(shù)b1(L)所定義的區(qū)域數(shù)1

C1≤a1(L)R1+b1(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的排氣量。
本發(fā)明的方案4是本發(fā)明的方案3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在即使增加了所述排氣量，所述組(C1，R1)還是進入所述所定區(qū)域時，向外部發(fā)出所定警報，并停止所述燃料電池的運行。
本發(fā)明的方案5是方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1與所述電阻值R1的組(C1，R1)進入具有關(guān)于所述電容值C1的橫軸與關(guān)于所述電阻值R1的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a1(U)、常數(shù)b1(U)所定義的區(qū)域數(shù)2a1(U)R1+b1(U)≤C1所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的排氣量。
本發(fā)明的方案6是方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1與所述電阻值R1的組(C1，R1)，進入具有關(guān)于所述電容值C1的橫軸與關(guān)于所述電阻值R1的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c1(L)、常數(shù)d1(L)所定義的區(qū)域數(shù)3R1≤c1(L)C1+d1(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的燃料氣體利用率。
本發(fā)明的方案7是方案6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述所定的區(qū)域是由除所述常數(shù)c1(L)、所述常數(shù)d1(L)以外，再加上常數(shù)a1(L)、常數(shù)b1(L)、常數(shù)a1(U)、常數(shù)b1(U)所定義的區(qū)域數(shù)4
本發(fā)明的方案8是方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1與所述電阻值R1的組(C1，R1)，進入具有關(guān)于所述電容值C1的橫軸與關(guān)于所述電阻值R1的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c1(U)、常數(shù)d1(U)所定義的區(qū)域數(shù)5c1(U)C1+d1(U)≤R1所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的所定的燃料氣體相關(guān)的燃料氣體利用率。
本發(fā)明的方案9是方案8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述所定的區(qū)域是由在所述常數(shù)c1(U)、所述常數(shù)d1(U)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)a1(L)、常數(shù)b1(L)、常數(shù)a1(U)、常數(shù)b1(U)所定義的區(qū)域數(shù)6
本發(fā)明的方案10基于方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C2與所述電阻值R2的組(C2，R2)，進入具有關(guān)于所述電容值C2的橫軸與關(guān)于所述電阻值R2的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a2(L)、常數(shù)b2(L)所定義的區(qū)域數(shù)7C2≤a2(L)R2+b2(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便進行所述燃料電池中的陰極催化劑相關(guān)的所定恢復操作。
本發(fā)明的方案11基于方案10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，即使進行所述所定恢復操作后經(jīng)過所定的時間，所述組(C2，R2)還是進入所述所定區(qū)域時，向外部發(fā)出所定的警報，并停止所述燃料電池的運行。
本發(fā)明的方案12基于方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C2與所述電阻值R2的組(C2，R2)，進入具有關(guān)于所述電容值C2的橫軸與關(guān)于所述電阻值R2的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c2(L)、常數(shù)b2(L)所定義的區(qū)域數(shù)8R2≤c2(L)C2+d2(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的加濕量。
本發(fā)明的方案13基于方案12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述所定的區(qū)域是由在所述常數(shù)c2(L)、所述常數(shù)d2(L)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)a2(L)、常數(shù)b2(L)所定義的區(qū)域數(shù)9
本發(fā)明的方案14基于方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C2與所述電阻值R2的組(C2，R2)，進入到具有關(guān)于所述電容值C2的橫軸與關(guān)于所述電阻值R2的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c2(U)、常數(shù)d2(U)所定義的區(qū)域數(shù)10c2(U)C2+d2(U)≤R2所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的加濕量。
本發(fā)明的方案15基于方案14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述的所定區(qū)域是由在所述常數(shù)c2(U)、所述常數(shù)d2(U)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)a2(L)、常數(shù)b2(L)所定義的區(qū)域數(shù)11
本發(fā)明的方案16基于方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C3與所述電阻值R3的組(C3，R3)，進入到具有關(guān)于所述電容值C3的橫軸與關(guān)于所述電阻值R3的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a3(L)、常數(shù)b3(L)所定義的區(qū)域數(shù)12C3≤a3(L)R3+b3(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的冷卻水的水量。
本發(fā)明的方案17基于方案16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述所定的區(qū)域是由在所述常數(shù)a3(L)、所述常數(shù)b3(L)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)c3(L)、常數(shù)d3(L)、常數(shù)c3(U)、常數(shù)d3(U)所定義的區(qū)域數(shù)13
本發(fā)明的方案18基于方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C3與所述電阻值R3的組(C3，R3)，進入到具有關(guān)于所述電容值C3的橫軸與關(guān)于所述電阻值R3的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a3(U)、常數(shù)b3(U)所定義的區(qū)域數(shù)14a3(U)R3+b3(U)≤C3所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的冷卻水的水量。
本發(fā)明的方案19基于方案18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述所定的區(qū)域是由在所述常數(shù)a3(U)、所述常數(shù)b3(U)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)c3(L)、常數(shù)d3(L)、常數(shù)c3(U)、常數(shù)d3(U)所定義的區(qū)域數(shù)15
本發(fā)明的方案20基于方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C3與所述電阻值R3的組(C3，R3)，進入到具有關(guān)于所述電容值C3的橫軸與關(guān)于所述電阻值R3的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c3(L)、常數(shù)d3(L)所定義的區(qū)域數(shù)16R3≤c3(L)C3+d3(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的氧化劑氣體利用率。
本發(fā)明的方案21基于方案2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C3與所述電阻值R3的組(C3，R3)，進入到具有關(guān)于所述電容值C3的橫軸與關(guān)于所述電阻值R3的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c3(U)、常數(shù)d3(U)所定義的區(qū)域數(shù)17c3(U)C3+d3(U)≤R3所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的氧化劑氣體利用率。
本發(fā)明的方案22基于方案21所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當所述氧化劑氣體利用率超過所定的次數(shù)而減少時，向外部發(fā)出所定的警報，所述燃料電池的運行在減少所述氧化劑氣體利用率的狀況下繼續(xù)進行。
本發(fā)明的方案23基于方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當以串聯(lián)連接的、具有(1)并聯(lián)連接的、相當于陽極的雙電荷層電容的電容值C1′的電容器以及相當于陽極的反應(yīng)電阻的電阻值R1′的電阻；(2)具有相當于(2a)陰極的雙電荷層電容的電容值C2′的電容器、(2b)串聯(lián)連接的、相當于陰極的反應(yīng)電阻的電阻值R2′的電阻以及相當于陰極的擴散電阻的電阻值W2R′的、并聯(lián)連接的瓦布格(warburg)電阻；和(3)相當于高分子膜的電阻的電阻值R3′的電阻的、等效電路表示的情況下，所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算，是所述電容值C1′、所述電阻值R1′、所述電容值C2′、所述電阻值R2′、所述電阻值W2R′以及所述電阻值R3′的計算。
本發(fā)明的方案24基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1′低于所定的下限電容值時，增加向所述燃料電池供給的所定的燃料氣體相關(guān)的排氣量地進行變化。
本發(fā)明的方案25基于方案24所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當即使增加所述排氣量，所述電容值C1′還是低于所述所定的下限電容值時，則對外部發(fā)出所定的警報，并停止所述燃料電池的運行。
本發(fā)明的方案26基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1′高于所定的上限電容值時，減少向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的排氣量地進行變化。
本發(fā)明的方案27基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R1′低于所定的下限電阻值時，則增加向所述燃料電池供給的所定的燃料氣體相關(guān)的燃料氣體利用率地進行變化。
本發(fā)明的方案28基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R1′高于所定的上限電阻值時，則減少向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的燃料氣體利用率地進行變化。
本發(fā)明的方案29基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C2′低于所定的下限電容值時，則進行變換，以使所述燃料電池中的陰極催化劑相關(guān)的所定恢復操作進行。
本發(fā)明的方案30基于方案29所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在即使進行所述恢復操作后經(jīng)過所定的時間，所述電容值C1′還是低于所述所定的下限電容值時，則對外部發(fā)出所定的警報，并停止所述燃料電池的運行。
本發(fā)明的方案31基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R2′低于所定的下限電阻值時，則減少向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的加濕量地進行變化。
本發(fā)明的方案32基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R2′高于所定的上限電阻值時，則增加向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的加濕量地進行變化。
本發(fā)明的方案33基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值W2R′低于所定的下限電阻值時，則增加向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的氧化劑氣體利用率地進行變化。
本發(fā)明的方案34基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值W2R′高于所定的上限電阻值時，則減少向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的氧化劑氣體利用率地進行變化。
本發(fā)明的方案35基于方案34所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當所述氧化劑利用率超過所定的次數(shù)而減少時，則減少向所述燃料電池供給的冷卻水的水量地進行變化。
本發(fā)明的方案36基于方案35所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當向所述燃料電池供給的冷卻水的水量超過所定的次數(shù)而減少時，則向外部發(fā)出所定的警報，并在進一步減少所述氧化劑利用率的基礎(chǔ)上繼續(xù)所述燃料電池的運行。
本發(fā)明的方案37基于方案23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R3′高于所定的上限電阻值時，則增加向所述燃料電池供給的冷卻水的水量地進行變化。
本發(fā)明的方案38基于方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述負載電流是重疊在所述燃料電池輸出的直流電流上的交流電流，所謂的變動所述負載電流，是變動所述重疊的交流電流的頻率，所述阻抗相關(guān)的計算，是根據(jù)變動所述頻率的交流電流的多個頻率中的所述燃料電池的阻抗的計算結(jié)果而進行的。
本發(fā)明的方案39基于方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所謂的變動所述負載電流，是將所述負載電流的電流值變動為階梯狀，所述阻抗相關(guān)的計算，是根據(jù)對將所述電流值變動為階梯狀的負載電流的時間函數(shù)進行傅里葉變換而得到的頻率函數(shù)，以及通過將相對于所述負載電流變動的電壓應(yīng)答的時間函數(shù)進行傅里葉變換而得到的頻率函數(shù)來進行的。
本發(fā)明的方案40基于方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池具有多個單元，所述測定機構(gòu)，對每個所述單元進行所述電壓應(yīng)答相關(guān)的測定，所述計算機構(gòu)，對每個所述單元進行所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算，所述燃料電池控制機構(gòu)，使所述燃料電池的運行條件按每個所述單元進行變化。
本發(fā)明的方案41基于方案40所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還具備用于將所述多個單元電連接到所述負載電流變動機構(gòu)上的第一布線；用于將所述多個單元電連接到所述測定機構(gòu)上的第二布線；用于進行所述多個單元與所述第一布線是否進行電連接的切換，以及所述多個單元與所述第二布線是否進行電連接的切換的、設(shè)置在每個單元內(nèi)的多個連接機構(gòu)；和用來利用所定的控制信號，控制所述多個連接機構(gòu)的連接裝置控制機構(gòu)。
本發(fā)明的方案42基于方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池相對于直流交流變換用逆變器串聯(lián)連接。
本發(fā)明的方案43是一種燃料電池運行方法，其中具備使相對于為了發(fā)電而運行的燃料電池的負載電流進行變動的負載電流變動步驟；進行相對于所述負載電流變動的電壓應(yīng)答相關(guān)的測定的測定步驟；根據(jù)所述電壓應(yīng)答相關(guān)的測定結(jié)果，進行所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算的計算步驟；和利用所述阻抗相關(guān)的計算的結(jié)果，使所述燃料電池的運行條件發(fā)生變化的燃料電池控制步驟。
本發(fā)明的方案44是一種程序，其用來使計算機執(zhí)行方案43所述的燃料電池運行方法的使相對于為了發(fā)電而運行的燃料電池的負載電流進行變動的負載電流變動步驟；根據(jù)所述電壓應(yīng)答相關(guān)的測定結(jié)果，進行所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算的計算步驟；和利用所述阻抗相關(guān)的計算的結(jié)果，使所述燃料電池的運行條件發(fā)生變化的燃料電池控制步驟。
本發(fā)明的方案45是一種記錄介質(zhì)，其能由計算機進行處理，是保持方案44所述的程序的記錄介質(zhì)。
本發(fā)明，具有可以進行對應(yīng)于燃料電池發(fā)電異常的原因的高可靠性的處理的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的實施方式1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖2是將對本發(fā)明的實施方式1的頻率進行掃頻而測定過的阻抗繪圖的說明圖。
圖3是表示本發(fā)明的實施方式1的電池單元的阻抗的等效電路的說明圖。
圖4是表示本發(fā)明的實施方式1中的交流電流振幅對直流電流之比和S/N比的關(guān)系的圖。
圖5是本發(fā)明的實施方式1的Cole-Cole Plot的說明圖。
圖6是示出本發(fā)明的實施方式1的改變空氣利用率而進行了測定的情況下的等效電路的元件(component)組的說明圖。
圖7是用于說明本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制的流程圖(之一)。
圖8是用于說明本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制的流程圖(之二)。
圖9是用于說明本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制的流程圖(之三)。
圖10是用于表示本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制中的(C3，R3)的區(qū)域的說明圖。
圖11是用于表示本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制中的(C2，R2)的區(qū)域的說明圖。
圖12是用于表示本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制中的(C1，R1)的區(qū)域的說明圖。
圖13是本發(fā)明的實施方式2的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖14是本發(fā)明的實施方式3的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖15是本發(fā)明的實施方式4的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖16是本發(fā)明的實施方式4的電池單元內(nèi)置的自動連接裝置44的構(gòu)成圖。
圖17是表示本發(fā)明的實施方式4的電池單元的阻抗的等效電路的說明圖。
圖18是本發(fā)明的實施方式4的Cole-Cole Plot的說明圖。
圖19是用于說明本發(fā)明的實施方式4的系統(tǒng)控制的流程圖(之一)。
圖20是用于說明本發(fā)明的實施方式4的系統(tǒng)控制的流程圖(之二)。
圖21是用于說明本發(fā)明的實施方式4的系統(tǒng)控制的流程圖(之三)。
圖22是表示本發(fā)明的實施方式1以及比較例中的電池單元電壓的時效的圖。
圖23是表示本發(fā)明的實施方式2～6中的電池單元電壓的時效的圖。
圖24是以往的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1的框圖。
圖中1-燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，21、22、…、2n-電池組，31、32、…、3m-電池單元，4、5-布線，51-頻率切換器，6-逆變器，71、72、…、7n-阻抗測定裝置，8-計算機，41-陰極側(cè)分離器，42-陽極側(cè)分離器，43-MEA，44-自動連接裝置，45-連接裝置控制線，46-電壓測定線，47-電流線，501-燃料電池單元，502-負載，503-交流信號產(chǎn)生部，504-電壓測定部，505-阻抗計測部，506-燃料電池控制部，601-燃料電池單元，602-負載，603-負載控制部，604-電壓測定部，605-傅里葉變換部，606-阻抗計測部，607-燃料電池控制部，701-燃料電池單元，702-燃料電池組，703-負載，704-負載控制部，705-電壓測定部，706-傅里葉變換部，707-阻抗計測部，708-燃料電池控制部，801-燃料電池單元，802-燃料電池組，803-逆變器，804-連接裝置控制部，805-燃料電池控制部，806-阻抗計測部，807-電子負載部，808-交流信號產(chǎn)生部，809-電壓測定部，901-(C3，R3)的初始值，1001-(C2，R2)的初始值，1101-(C1，R1)的初始值，151-實施例1的電池單元電壓，152-比較例的電池單元電壓，161-實施例2的電池單元電壓，162-實施例3的電池單元電壓，163-實施例4的電池單元電壓，164-實施例5的電池單元電壓，165-實施例6的電池單元電壓。
具體實施例方式
以下，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。
(實施方式1)首先，主要參照作為本發(fā)明的實施方式1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成圖的圖1，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成進行說明。
本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，是將含氧的氧化劑提供給陰極，將含氫的燃料氣體提供給陽極而進行發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
另外，本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，具有使燃料電池單元501的負載電流變動的交流信號發(fā)產(chǎn)生部503和測定燃料電池單元501的電壓應(yīng)答的電壓測定部504，阻抗計測部505從負載電流和電壓應(yīng)答的相位差來測定燃料電池單元501的阻抗，根據(jù)阻抗值改變運行條件。
而且，負載(相當于將直流變換為交流的直交變換用逆變器，以下同)502，相對于作為測定對象的燃料電池單元501串聯(lián)連接。
本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，可以在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中簡便且精確地測定阻抗。
接著，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的動作進行說明。另外，一邊對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的動作進行說明，一邊對本發(fā)明的燃料電池運行方法的一實施方式進行說明(關(guān)于其它實施方式也一樣)。
燃料電池單元501連接負載502，流過負載502的電流由交流信號產(chǎn)生部503的信號控制，以交流信號的頻率變動的負載電流流經(jīng)燃料電池單元501。
用電壓測定部504觀測燃料電池單元501的電壓變化，由阻抗計測部505從與交流信號的相位差算出阻抗。
另外，如以下將要詳述的，用燃料電池控制部506進行控制，以便根據(jù)阻抗值而使燃料電池單元501的運行條件發(fā)生變化。
當然，在本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，作為燃料電池是以由一個電池單元組成的為代表而表示的，但是也可以取代電池單元而連接層疊多個電池單元而成的燃料電池組，并可以對燃料電池組全體的阻抗進行測定。
另外，包含負載502、交流信號產(chǎn)生部503的機構(gòu)對應(yīng)于本發(fā)明的負載電流變動機構(gòu)，電壓測定部504對應(yīng)于本發(fā)明的測定機構(gòu)，阻抗計測部505對應(yīng)于本發(fā)明的計算機構(gòu)，燃料電池控制部506對應(yīng)于本發(fā)明的燃料電池控制機構(gòu)，本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對應(yīng)于本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)。
以上，對本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成以及動作進行了說明，以下，對該燃料電池系統(tǒng)中的阻抗計算原理或運行條件的控制原理進行詳細說明。
構(gòu)成燃料電池的燃料電池單元，由氫離子傳導性電解質(zhì)膜和配置于其兩側(cè)配置的電極構(gòu)成，也就是高分子電解質(zhì)型。
通過具備具有向該電極的一方供給·排出燃料氣體，向另一方供給·排出含氧氣體的氣流路徑的一對隔離板，從而構(gòu)成燃料電池單元。而且，供給燃料氣體的電極是陽極，供給含氧氣體的電極是陰極。
將幾十～幾百個這樣的燃料電池單元層疊起來，就構(gòu)成一個燃料電池組。
燃料電池單元的阻抗由陽極阻抗、陰極阻抗、電解質(zhì)膜阻抗以及各構(gòu)成要素的接觸電阻構(gòu)成。
在作為圖示對本發(fā)明的實施方式2的頻率進行掃頻而測定的阻抗的說明圖的圖2中，表示了以后詳細說明的相對于典型的燃料電池單元的阻抗的實數(shù)部的虛數(shù)部(將符號反相)的曲線圖。
另外，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)作為表示該阻抗的舉動的等效電路，作為表示本發(fā)明的實施方式1的電池單元的阻抗的等效電路的說明圖的圖3示出的具有相當高的精度。
這里，對阻抗特性的測定方法進行說明。
將從燃料電池取出的直流電流的電流振幅值的10％以下的微小振幅、頻率f的交流電流重疊在直流電流上并取出。這里，負載電流的變動范圍，為燃料電池的額定輸出的0～200％。
另外，從此時測定的、電池單元電壓的交流成分和電池單元電流的交流成分的振幅以及相位來運算阻抗。
通常，施加的交流電流的振幅越大，S/N比(信號/噪音比)越大。
但是，如同表示本發(fā)明的實施方式1中的、交流電流振幅對直流電流之比與S/N比的關(guān)系的圖4所示，交流電流振幅對直流電流的比超過5％后S/N比就飽和，即使再增加這個以上的振幅，S/N比也幾乎不再提高。
另一方面，在燃料電池的情況下，由于流過電池單元的電流伴隨化學反應(yīng)的電荷移動，因此增大交流電流的振幅，則相對于供給氣體量的反應(yīng)量(氣體利用率)也會變動。
通常，如果施加直流電流10％以下振幅的交流電流，則氣體利用率的變動會有一點，但不會對測定值造成影響，但是如果施加超過直流電流的10％的振幅的交流電流的話，則不能忽視對氣體利用率的變動造成的影響，容易產(chǎn)生測定值的誤差。
根據(jù)以上的情況，希望施加的交流電流的振幅為直流電流的5～10％左右。
另外，如果將等效電路的復數(shù)阻抗設(shè)為Z，將其實數(shù)部分設(shè)為Zr，改變了符號的虛數(shù)部分設(shè)為Zi，則可以表述為數(shù)18Z＝Zr-jZi(這里將虛數(shù)單位設(shè)為j，以下同)而且，將測定時的電池單元電壓交流成分設(shè)為復數(shù)E，將其實數(shù)部設(shè)為Er，將變換了其符號的虛數(shù)部設(shè)為Ei，將電池單元電流交流成分設(shè)為復數(shù)I，將其實數(shù)部設(shè)為Ir，將變換了其符號的虛數(shù)部設(shè)為Ii，則可以表述為
數(shù)19E＝Er-jEi，I＝Ir-jIi，Z＝E/I＝(Er-jEi)/(Ir-jIi)于是，由頻率f的交流電流取出時測定的E、I就可以運算出那個時間的復數(shù)阻抗Z。
進而，以0.1Hz左右到1000Hz左右的頻率掃頻取出的交流電流的頻率f，并對各頻率中的復數(shù)阻抗Z同樣地進行運算。
最好在從0.01Hz到1MHz的范圍內(nèi)掃頻頻率f。
另外，在將其實數(shù)部Zr為橫軸，將在虛數(shù)部Zi添加了負號的-Zi作為縱軸的復數(shù)平面內(nèi)繪圖，做成作為本發(fā)明的實施方式1的Cole-Cole plot的說明圖的圖5上所示那樣的Cole-Cole plot。
等效電路為一對電阻、電容并聯(lián)電路時的Cole-Cole plot，成為在橫軸上持有中心點的一定半徑的半圓形狀(根據(jù)所謂的Cole-Cole的圓弧規(guī))。
如圖3所示的、具有電阻(電阻值)R3以及電阻(電阻值)和電容器(電容值)的組(R1，C1)、(R2，C2)、(R3，C3)的等效電路的情況下的Cole-Cole plot，成為重合三個半圓而合成的形狀。
在圖5中，三個半圓由實線表示，重合這些半圓而合成的形狀由虛線表示。
為了與描畫的形狀一致，而從低頻側(cè)逐一確定半圓的半徑、中心坐標，對于第一、第二、第三半圓，順序地將中心坐標確定為X1、X2、X3，將直徑確定為D1、D2、D3。
然后，在各半圓上將對應(yīng)于虛數(shù)部的最大點的頻率順序地確定為f1、f2、f3，則有以下式數(shù)20C1=12πf1R1=12πf1D1,]]>C2=12πf2R2=12πf2D2,]]>C3=12πf3R3=12πf3D3]]>Rs＝X1-D1/2，R1＝D1，R2＝D2，R3＝D3這樣，就可以算出適合Cole-Cole plot的等效電路的元件(C1，R1)，(C2，R2)，(C3，R3)的值。
在圖示了改變本發(fā)明的實施方式1的空氣利用率而進行測定時的等效電路的元件組的說明圖的圖6中，表示了等效電路中的C和R的組的相關(guān)。
在圖6中，將(C1，R1)，(C2，R2)，(C3，R3)作為各自的組，將C值繪在橫軸上，將R值繪在縱軸上。
改變?nèi)剂想姵貑卧倪\行條件，來調(diào)查等效電路中的C和R的相關(guān)。
在圖6中，為了看得明白，而用線段401將空氣利用率(氧利用率)60％時的(C1，R1)、(C2，R2)、(C3，R3)連接起來，用線段402將空氣利用率40％時的(C1，R1)、(C2，R2)、(C3，R3)連接起來，用線段403將空氣利用率20％時的(C1，R1)、(C2，R2)、(C3，R3)連接起來。
另外，分別用虛線將(C1，R1)、(C2，R2)、(C3，R3)的大致變動范圍包圍起來表示。
當改變作為含氧氣體的空氣的利用率時，以C3和R3為主地進行變化。
當改變?nèi)剂蠚怏w中的氫氣的濃度時，以C1和R1為主地進行變化。
當改變?nèi)剂想姵貑卧臏囟葧r，以C2和R2為主地進行變化。
通過以上的變化，在圖3的等效電路中，可以看出C1和R1相當于陽極的反應(yīng)阻抗，C2和R2相當于陰極的反應(yīng)阻抗，C3和R3相當于陰極的擴散阻抗。
這樣，預(yù)先測定好正常時的各燃料電池單元的阻抗，并存儲等效電路的元件的正常時的值。
這樣，將在運行中隨時測量到阻抗的等效電路的元件的值與所存儲的正常時的元件值進行比較，就可以把握燃料電池單元的狀態(tài)，在出現(xiàn)異常時可以進行最佳的系統(tǒng)控制。
在這里，主要參照用于說明本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制的流程圖(之一)的圖7、用于說明本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制的流程圖(之二)的圖8以及用于說明本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制的流程圖(之三)的圖9，對這種系統(tǒng)控制進行詳細說明。
步驟1～3開始發(fā)電后，隨時計測阻抗。
從計測到的阻抗求出等效電路的元件值。
步驟4～8接著判定等效電路的(C3，R3)的組，處于作為用來表示本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制中的(C3，R3)的區(qū)域的說明圖的圖10的哪個區(qū)域。
如前所述，(C3，R3)是基于陰極的擴散阻抗的元件。
圖10中的(C3，R3)的初始值901，相當于(C3，R3)的正常值。
另外，區(qū)域91是由數(shù)21-0.00041C3+0.015≤R3所定義的區(qū)域，區(qū)域92是由數(shù)22R3≤-0.00041C3+0.0098所定義的區(qū)域，區(qū)域93是由數(shù)23
所定義的區(qū)域，區(qū)域94是由數(shù)24
所定義的區(qū)域。
由于R3增大，(C3，R3)向區(qū)域91移動，可以判斷為濕潤的進展使氣體的擴散性降低，故在一定時間內(nèi)減少空氣的利用率Uo以解除潮濕，減少R3。
對在一定時間呃逆減少空氣利用率Uo的操作的次數(shù)進行計數(shù)。
然后，必須反復多次進行這樣的操作，當計數(shù)值超過所定的值時，就可以判斷為電極材料本身老化變得容易潮濕，故輸出報警信號并以減少空氣利用率Uo的狀態(tài)繼續(xù)運行。報警信號可用于促使維修，或在維修時特定不良的原因。
步驟9～10如果R3減少，(C3，R3)進入?yún)^(qū)域92，則可以判斷現(xiàn)在很干燥，通過增加空氣利用率Uo以抑制干燥，增大R3。
步驟11～12當C3減少，(C3，R3)進入?yún)^(qū)域93時，也可以判斷現(xiàn)在很潮濕，但是這個可以認為是燃料電池單元的溫度下降的原因。因此，就可以通過減少冷卻水量，提高燃料電池單元的溫度，以解決潮濕的問題并增加R3。
步驟13～14相反，當C3增大，(C3，R3)進入?yún)^(qū)域94時，可以提高冷卻水量、降低燃料電池單元的溫度，以抑制干燥并減少R3。
區(qū)域91、92、93、94的具體劃分方法是憑經(jīng)驗得到的，但是如果遵照這個流程，就可以維持穩(wěn)定的運行(以下同)。
接著，轉(zhuǎn)到圖11，判定(C2，R2)進入作為用于表示本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制中的(C2，R2)的區(qū)域的說明圖的圖11的哪個區(qū)域。
如前所述，(C2，R2)是基于陰極的反應(yīng)阻抗的元件。
圖11中的(C2，R2)的初始值1001相當于(C2，R2)的正常值。
另外，區(qū)域101是由數(shù)25C2≤1000R2-5所定義的區(qū)域，區(qū)域102是由數(shù)26
所定義的區(qū)域，區(qū)域103是由數(shù)27
所定義的區(qū)域。
步驟15～19若C2減少，(C2，R2)進入?yún)^(qū)域101，則陰極電極催化劑的反應(yīng)性降低，由于可以認為外表的電極面積減少，故進行恢復操作，以使C2增大。
所謂恢復操作，例如是在流動燃料氣體的狀態(tài)下切斷空氣并流過負載電流，或者取代空氣，流過比空氣的氧氣分壓還低的氣體，降低陰極的電壓(也就是，降低燃料電池單元的電壓)的操作。
通過進行這樣的恢復操作，可以使氧化進行或附著污染物導致反應(yīng)性降低的陰極電極催化劑復活。
在這里，當在短時間內(nèi)反應(yīng)性從上次的恢復操作再次降低，而必須再進行這次的恢復操作操作時，可以認為催化劑本身已經(jīng)顯著老化，因此輸出報警，并停止運行。
步驟20～21若R2增大，(C2，R2)進入?yún)^(qū)域102，則判定由于催化劑干燥而使反應(yīng)性降低，因此增加空氣的加濕量，并減少R2。
步驟22～23相反，若R2減少，(C2，R2)進入?yún)^(qū)域103，則判定由于催化劑過于潮濕，因此減少空氣的加濕量，并增大R2。
接著，轉(zhuǎn)到圖12，判定(C1，R1)進入作為用于表示本發(fā)明的實施方式1的系統(tǒng)控制中的(C1，R1)的區(qū)域的說明圖的圖12的哪個區(qū)域。
如前所述，(C1，R1)是基于陽極的反應(yīng)阻抗的元件。
圖12中的(C1，R1)的初始值1101相當于(C1，R1)的正常值。
另外，區(qū)域111是由數(shù)28C1≤625R1-0.75所定義的區(qū)域，區(qū)域112是由數(shù)29
所定義的區(qū)域，區(qū)域113是由數(shù)30
區(qū)域114是由
數(shù)31625R1+1.1≤C1所定義的區(qū)域。
步驟24～28若C1減少，(C1，R1)進入?yún)^(qū)域111，則陽極電極催化劑中毒而反應(yīng)性降低，由于可以認為外表的電極面積減少，故增加排氣量，試圖使C1增大。
所謂排氣，例如就是在燃料氣體中添加微量空氣，在催化劑表面氧化使催化劑中毒的一氧化碳并除去的操作。
在即使增加排氣，(C1，R1)也依然進入?yún)^(qū)域111時，則由于陽極電極催化劑顯著老化，因此輸出報警，并停止運行。
步驟29～30若R1增大，(C1，R1)進入?yún)^(qū)域112，則由于可以判定為燃料氣體量過剩，而使陽極電極催化劑干燥，因此降低燃料利用率并進行運行，以減少R1。
步驟31～32相反，若R1減少，(C1，R1)進入?yún)^(qū)域113，則提高燃料的利用率Uf，以使R1增大。
步驟33～34在C1增大，(C1，R1)進入?yún)^(qū)域114時，由于可以判斷為排氣量過剩，因此減少排氣，以減少C1。
遵照這樣的流程進行一系列的操作后，返回到圖7的阻抗計測(步驟2)，并反復進行該操作。
如上所述，以上具體的區(qū)域劃分是以初始值為基礎(chǔ)，并基于經(jīng)驗進行的。因此，當由于燃料電池的構(gòu)成、形狀改變而初始值發(fā)生變化時，也應(yīng)該以其值為基礎(chǔ)對區(qū)域劃分進行一些變動。
(實施方式2)首先，主要參照作為本發(fā)明的實施方式2的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成圖的圖13，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成進行說明。
本實施方式中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成，與前述的實施方式1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成類似，因此，以下主要對兩者不同的點進行說明(實施方式3也一樣)。
本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，是將含氧的氧化劑提供給陰極、將含氫的燃料提供給陽極而進行發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
另外，本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有使燃料電池單元601的負載電流變動為階梯狀的負載控制部603和測定燃料電池單元601的電壓過渡應(yīng)答的電壓測定部604，將從負載電流的變動開始的時間和此時的電壓數(shù)字化并進行傅里葉變換，阻抗計測部606測定燃料電池單元601的阻抗，并根據(jù)阻抗值改變運行條件。
本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，可以在短時間內(nèi)測定所有頻率中的阻抗。
接著，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的動作進行說明。
本實施方式中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的動作，與前述的實施方式1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的動作類似，因此，以下主要對兩者不同的點進行說明(實施方式3也一樣)。
燃料電池單元601連接負載602，負載602由負載控制部603控制，在燃料電池單元601中流過階梯狀的負載電流。這里，負載電流的變動范圍為燃料電池的額定輸出的0～200％，階梯狀的電流值的增減量為10％以上。
用電壓測定部604觀測負載電流變動時的燃料電池單元601的電壓的變化，將從負載變動開始的時間和此時的電壓數(shù)字化，如后所述地由傅里葉變換部605進行傅里葉變換。
另外，變換為相對于頻率的電壓應(yīng)答后，由阻抗計測部606算出阻抗，由燃料電池控制部607進行控制，以便根據(jù)阻抗的值來改變?nèi)剂想姵貑卧?01的運行條件。
當然，負載電流的變動，可以專門為了測定阻抗而進行，但是也可以由系統(tǒng)的接通—斷開時或發(fā)電能力的增減時的負載電流的增減來兼顧。
這里，對傅里葉變換部605的動作進行更詳細的說明。
將變動為階梯狀的負載電流Is的時間函數(shù)設(shè)為Istep(t)，將此時的電池單元電壓的時間函數(shù)設(shè)為Estep(t)。這里t表示時間。
則，Istep(t)、Estep(t)的傅里葉變換后的頻率函數(shù)，分別為數(shù)32

FIstep(f)=∫-∞oIstep(t)e-2πfjtdt]]>FEstep(f)=∫-∞oEstep(t)e-2πfjtdt]]>這里，f表示頻率。
所以，阻抗Zstep(f)，成為數(shù)33Zstep(f)＝FEstep(f)/FIstep(f)這樣，傅里葉變換部605，就從時間函數(shù)Istep(t)、Estep(t)運算出頻率函數(shù)FIstep(f)、FEstep(f)。
當然，由于傅里葉變換部605由數(shù)字計算機構(gòu)成，故通過將時間函數(shù)Istep(t)、Estep(t)分割成有限個來進行數(shù)字運算，從而求出有限個FIstep(f)、FEstep(f)，并算出有限個Zstep(f)。
另外，包括負載602、負載控制部603的機構(gòu)對應(yīng)于本發(fā)明的負載電流變動機構(gòu)，電壓測定部604對應(yīng)于本發(fā)明的測定機構(gòu)，阻抗計測部606對應(yīng)于本發(fā)明的計算機構(gòu)，燃料電池控制部607對應(yīng)于本發(fā)明的燃料電池控制機構(gòu)，本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對應(yīng)于本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
(實施方式3)首先，主要參照作為本發(fā)明的實施方式3的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成圖的圖14，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成進行說明。
本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，是具有將含氧的氧化劑提供給陰極、將含氫的燃料氣體提供給陽極而進行發(fā)電的多個燃料電池單元701串聯(lián)連接的燃料電池組702的系統(tǒng)。
本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有使各燃料電池單元701中通用的負載703變動的負載控制部704和能測定每個燃料電池單元701的電壓的電壓測定部705，阻抗計測部707測定各燃料電池單元701的阻抗，并根據(jù)阻抗值來改變運行條件。
本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，可以測定構(gòu)成燃料電池組702的各燃料電池單元701的阻抗。
接著，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的動作進行說明。
層疊了燃料電池單元701的燃料電池組702連接負載703，負載703由負載控制部704控制，在燃料電池組702中流過階梯狀的負載電流。
各燃料電池單元701的電極連接電壓測定部705，由電壓測定部705觀測負載電流變動時的各燃料電池單元701的電壓的變化，將從負載變動開始的時間和此時的電壓數(shù)字化，然后由傅里葉變換部706進行傅里葉變換。
另外，在變換為相對于頻率的電壓應(yīng)答后，由阻抗計測部707算出阻抗，由燃料電池控制部708進行控制，以便根據(jù)阻抗的值來改變?nèi)剂想姵貑卧?01的運行條件。
當然，負載電流的變動可以專門為了測定阻抗而進行，但是也可以由系統(tǒng)的接通—斷開時或發(fā)電能力的增減時的負載電流的增減來兼顧。
另外，包括負載703、負載控制部704的機構(gòu)對應(yīng)于本發(fā)明的負載電流變動機構(gòu)，電壓測定部705對應(yīng)于本發(fā)明的測定機構(gòu)，阻抗計測部707對應(yīng)于本發(fā)明的計算機構(gòu)，燃料電池控制部708對應(yīng)于本發(fā)明的燃料電池控制機構(gòu)，本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對應(yīng)于本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
(實施方式4)首先，主要參照作為本發(fā)明的實施方式4的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成圖的圖15，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成進行說明。
層疊了燃料電池單元801的燃料電池組802連接著逆變器803，并連接有外部負載。
燃料電池單元801分別具備自動連接裝置44，并通過自動連接裝置44的端子，將連接裝置控制線45、電壓測定線46、電流線47連接起來。
接著，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的動作進行說明。
自動連接裝置44的端子，在平常時間是開放的，通過連接裝置控制線45接收來自連接裝置控制部804的地址信號，只有當該地址信號與自動連接裝置44的地址信號一致的情況下，電壓測定線46與電流線47才通過自動連接裝置44與燃料電池單元801連接。
這樣，由利用單一的電壓測定線46和單一的電流線47的簡單布線結(jié)構(gòu)，就可以容易地只將單一的燃料電池單元連接到阻抗計測部806上。
與阻抗計測部806連接的燃料電池單元801，由電子負載部807取出微小的電流，由交流信號產(chǎn)生部808將特定頻率的交流信號重疊到電流上。
由電壓測定部809觀測負載電流變動時的燃料電池單元801的電壓變化，用阻抗計測部806從該電壓應(yīng)答算出阻抗，由燃料電池控制部805進行控制，以便根據(jù)阻抗的值來改變?nèi)剂想姵貑卧?01的運行條件。
預(yù)先測定了正常運行時的各燃料電池單元的阻抗，與內(nèi)置在各燃料電單元的自動連接裝置的地址一起，保存后述的等效電路的元件的值。
在運行中，隨時測定阻抗，求出等效電路的部分的值，通過與正常時的值進行比較，從而可以實時地把握燃料電池單元的狀態(tài)，在異常發(fā)生時進行最佳的控制。
即，本實施方式的燃料電池系統(tǒng)，采用內(nèi)置于各單元的自動連接裝置44，將特定的地址信號傳送到所有的單元，而只將地址一致的對象單元連接到阻抗計測部806，判定異常的原因，對異常的原因采取充分的處理。
這里，參照作為本發(fā)明的實施方式4的單元內(nèi)置的自動連接裝置44的構(gòu)成圖的圖16，對內(nèi)置于隔離裝置中的自動連接裝置44以及阻抗計測部806的連接進行說明。
自動連接裝置44持有每個單元不同的地址，接收來自連接裝置控制部804的特定信號，只有在地址與特定信號一致的情況下，才進行與阻抗計測部806、電子負載部807、交流信號產(chǎn)生部808、電壓測定部809的連接。
當然，自動連接裝置44，在地址信號與特定信號不一致的情況下，會從阻抗計測部806、電子負載部807、交流信號產(chǎn)生部808、電壓測定部809切斷。
這樣，就可以只將對象單元與阻抗計測部806、電子負載部807、交流信號產(chǎn)生部808、電壓測定部809連接。
另外，包括電子負載部807、交流信號產(chǎn)生部808的機構(gòu)對應(yīng)于本發(fā)明的負載電流變動機構(gòu)，電壓測定部809對應(yīng)于本發(fā)明的測定機構(gòu)，阻抗計測部806對應(yīng)于本發(fā)明的計算機構(gòu)，燃料電池控制部805對應(yīng)于本發(fā)明的燃料電池控制機構(gòu)，本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對應(yīng)于本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。而且，電流線47對應(yīng)于本發(fā)明的第一布線，電壓測定線46對應(yīng)于本發(fā)明的第二布線，自動連接裝置44對應(yīng)于本發(fā)明的連接裝置，包括連接裝置控制部804、連接裝置控制線45的機構(gòu)對應(yīng)于本發(fā)明的連接裝置控制機構(gòu)。
以上，對本實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成以及動作進行了說明，以下，對該燃料電池中的阻抗計算原理、運行條件的控制原理進行詳細說明。
首先，參照作為表示本發(fā)明的實施方式4的單元阻抗的等效電路的說明圖的圖17，對表示單元阻抗的等效電路進行說明。
單元阻抗，由陽極阻抗、陰極阻抗、電解質(zhì)膜的阻抗以及接觸電阻構(gòu)成。
該阻抗的活動，可以由圖17所示的等效電路來表現(xiàn)。
通過將從燃料電池取出的直流電流的10％左右以下的微小振幅、頻率f的交流電流重疊在直流電流上并取出，從而可以與前述的實施方式1的情況相同地運算復數(shù)阻抗Z′。
以從0.1Hz左右到1000Hz左右的范圍，掃頻取出的交流電流的頻率f′，進行各頻率中的復數(shù)阻抗Z′的運算。
而且，優(yōu)選一邊變化多個特定頻率一邊測定阻抗，或?qū)⒍鄠€特定頻率混合交流地測定阻抗。
另外，如在將其實數(shù)部Zr′作為橫軸，將在虛數(shù)部Zi′上添加負號的-Zi′作為縱軸的復數(shù)平面上繪圖，做成作為本發(fā)明的實施方式4的Cole-Coleplot的說明圖的圖18上所示那樣的Cole-Cole plot。
如圖17所示的，具有電阻(電阻值)和電容器(電容值)的組(R1′、C1′)、電阻(電阻值)和電容器(電容值)和瓦布格電阻(瓦布格電阻值)的組(R2′、C2′、W2′)以及電阻(電阻值)R3′的等效電路時的Cole-Cole plot，成為將兩個半圓、連結(jié)圓弧和直線的曲線(對應(yīng)于瓦布格電阻的Cole-Coleplot)重合而合成的形狀。
在圖18中，由實線表示兩個半圓、以及將圓弧和直線連接的曲線，重合這些而合成的形狀由虛線表示。
為了與描畫的形狀一致，從低頻側(cè)逐一確定圓弧的半徑、中心坐標，相對于于第一、第二半圓，順序地將中心坐標確定為X1′、X2′，將直徑確定為D1′、D2′，相對于將圓弧和直線連接的曲線，將寬定為D3′。
于是，將第一、第二半圓、與直線連接的圓弧的上面，對應(yīng)于虛數(shù)部的最大點的頻率順序地定為F1′、F2′、F3′，則有數(shù)34C1′=12πf1′R1′=12πf1′D1′,]]>C2′=12πf2′R2′=12πf2′D2′,]]>R1′=D1′,]]>R2′=D2′,]]>R3′=X1′-D1′/2,]]>W2′=W2R′tanh2πf3′jW2T′2πf3′jW2T′=D3′tanh2πf3′jW2T′2πf3′jW2T′,]]>W2R′=D3′]]>另外，W2R′是成為氣體擴散性指標的常數(shù)。
這樣，為了與描畫的形狀一致，算出等效電路的各元件的值。
另外，改變?nèi)剂想姵貑卧倪\行條件，以調(diào)查等效電路中的各元件的數(shù)值變化。
于是，當改變?nèi)剂蠚怏w的露點溫度時，主要R1′、C1′變化，當改變含氧氣體的露點溫度時，主要R2′、C2′變化，當改變作為含氧氣體的空氣的氧利用率時，主要W2R′變化。
由以上的情況可以明白C1′相當于陽極的雙電荷層電容器，R1′相當于陽極的反應(yīng)電阻，C2′相當于陰極的雙電荷層電容器，R2′相當于陰極的反應(yīng)電阻，W2R′相當于陰極的擴散電阻。
另外，根據(jù)增大加濕量、R3′就會降低的理由，可知R3′相當于高分子膜的電阻。
所以，通過調(diào)查C1′的變化，可以檢測并把握陽極電極催化劑層的反應(yīng)面積的異常、老化。
而且，通過調(diào)查R1′的變化，可以檢測并把握陽極電極催化劑層的反應(yīng)面積的異常、老化。
此外，通過調(diào)查C2′的變化，可以檢測并把握陰極電極催化劑層的反應(yīng)面積的異常、老化。
再有，通過調(diào)查R2′的變化，可以檢測并把握陰極電極催化劑層的反應(yīng)面積的異常、老化。
而且，通過調(diào)查W2R′的變化，可以檢測并把握陰極氣體擴散層的擴散電阻的異常、老化。
還有，通過調(diào)查R3′的變化，可以檢測并把握高分子膜的加濕狀態(tài)的異常、老化。
這里，主要參照用于說明本發(fā)明的實施方式4的系統(tǒng)控制的流程圖(之一)的圖19、用于說明本發(fā)明的實施方式4的系統(tǒng)控制的流程圖(之二)的圖20、用于說明本發(fā)明的實施方式4的系統(tǒng)控制的流程圖(之三)的圖21，對這種系統(tǒng)控制進行更詳細的說明。
步驟1～3開始發(fā)電后，隨時計測阻抗。
當然，可以按照地址順序計測燃料電池單元，也可以按不同的順序。
從計測到的阻抗求出等效電路的元件的值。
接著，對等效電路的W2′進行判斷。
W2′是基于陰極的氣體擴散的元件，但W2R′表示擴散電阻的大小。
步驟4～10如果W2R′上升，則由于可以判斷現(xiàn)在很潮濕而使氣體擴散性降低，因此當W2R′的值超過所定的值時，在一定時間內(nèi)降低空氣的利用率，增大氣體流量，以解除潮濕。
對在一定時間內(nèi)進行了降低空氣的利用率的操作的次數(shù)計數(shù)。
然后，必須反復多次進行這樣的操作，當計數(shù)值超過所定的值時，在一定的時間內(nèi)減少冷卻水量使單元的溫度上升，以解決潮濕的問題。
對在一定的時間內(nèi)減少冷卻水量的操作的次數(shù)進行計數(shù)。
然后，必須反復多次進行這樣的操作，當計數(shù)值超過所定的值時，就可以判斷為電極材料本身老化變得容易潮濕，輸出報警信號并在減少空氣利用率Uo′的狀態(tài)下繼續(xù)運行。
報警信號可以用來向使用者通知異常，或催促維修，或在維修時特定不良的原因。
步驟11～12如果W2R′低于所定的值狀態(tài)，則由于可以判斷為現(xiàn)在很干燥，故通過增加Uo′，以抑制干燥(也可以減少氣體流量)。
接著，進行有關(guān)R3′的判定。
R3′表示高分子膜的電阻的大小。
步驟13～14如果R3′上升，則由于可以判定為干燥導致高分子膜的電阻增大，因此增加冷卻水量造成容易潮濕的狀態(tài)，就可以抑制干燥。
轉(zhuǎn)到圖20進行有關(guān)R2′、C2′的判定。
R2′表示陰極的催化劑層的反應(yīng)電阻，C2′表示陰極催化劑層的反應(yīng)面積。
步驟15～19如果C2′減少，則電極催化劑的反應(yīng)性降低，可以認為是外表的電極面積降低，因此當C2′低于所定值時，進行恢復操作。
恢復操作，是在流過燃料氣體時直接切斷空氣，并流過負載電流，或者取代空氣而流過非活性氣體，以使陰極電位降低(單元電壓降低)的操作。
由此，可以使由于氧化的進行、附著污染物而反應(yīng)性降低的電極催化劑復活。
但是，在恢復操作導致反應(yīng)面積上升時，或者從上一次恢復操作后短時間內(nèi)又出現(xiàn)反應(yīng)面積降低時，由于催化劑本身已經(jīng)顯著老化，所以發(fā)出警報并停止運行。
步驟20～21如果R2′上升，則判定為由于催化劑干燥使反應(yīng)性降低，因此當R2′超過所定值時，增加空氣的加濕量。
步驟22～23相反，若R2′減少，則判定為由于催化劑過于潮濕，因此當R2′低于所定值時，減少空氣的加濕量。
接著，轉(zhuǎn)到圖21，對R1′、C1′進行判定。R1′表示陽極的催化劑層的反應(yīng)電阻，C1′表示陽極的催化劑層的反應(yīng)面積。
步驟24～28若C1′減少，則由于可以認為陽極電極催化劑中毒，導致反應(yīng)性降低，外表的電極面積減少，因此，當C1′低于所定值時，增加排氣量。
所謂排氣，就是在燃料氣體中添加微量空氣，在催化劑表面氧化使催化劑中毒的一氧化碳并除去的操作。
在即使增加排氣，C1′也依然低于所定值時，則判定為陽極電極催化劑顯著老化，因此輸出報警，并停止運行。
步驟29～30若R1′上升，則判定為由于燃料氣體量過剩，而使陽極催化劑干燥且反應(yīng)性降低，因此當R1′高于所定值時，降低燃料利用率Uf并進行運行(另外，也可以提高燃料氣體的加濕量)。
步驟31～32相反，若R1′減少，則判定為催化劑的潮濕過渡，因此當R1′低于所定值時，提高燃料的利用率Uf，并進行運行(另外，也可以降低燃料氣體的加濕量)。
步驟33～34如果C1′上升，則由于可以判斷排氣過剩，因此當C1′高于所定值時，減少排氣量。
而且，以上的各種所定值，是在根據(jù)控制可以維持正常運行狀態(tài)的范圍內(nèi)適當?shù)卦O(shè)定。
這樣，當對象單元的運行狀態(tài)的判定完成后，從連接裝置控制部804發(fā)送下一個對象單元的地址信號。
然后，根據(jù)同樣的流程對地址信號和自動連接裝置44的地址一致的對象單元的阻抗進行計測以及控制。
這樣，完成一個單元的測定以后，切換地址信號，就可以連續(xù)地對燃料電池組802內(nèi)的所有的燃料電池單元進行測定。
根據(jù)本實施方式，可以得到通過簡單的布線的低成本的自診斷功能，容易地判定異常的燃料電池單元，特定異常的原因，進行適當?shù)目刂?，從而能實現(xiàn)高可靠性的運行的燃料電池系統(tǒng)。
接著，對本發(fā)明的實施例進行具體說明。
(實施例1)實施例1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作首先用以下的方法制作氣體擴散層。
在復寫紙(東麗(株)制造TGPH-060)上，將聚四氟乙烯的分散液(大金工業(yè)(株)制造ルブロンLDW-40)作為干燥重量含浸10重量％以后，再用熱風干燥機以350℃加熱，進行疏誰處理。
進而形成炭素粉末和氟樹脂組成的高分子含有導電層。
即，在作為炭素粉末的電氣化學工業(yè)(株)制的デンカブラツク上，將作為氟樹脂的聚四氟乙烯分散液(大金工業(yè)(株)制造ルブロンLDW-40)以干燥重量混合30重量％而做成分散液。然后，將這樣做成的分散液涂敷在前述的除水處理過的復寫紙上，用熱風干燥機以350℃加熱，以制作包含有含高分子導電層的氣體擴散層。
接著，用以下的方法制作電解質(zhì)膜—電極結(jié)合體(MEA)。
在導電性碳粉末中擔持了50重量％的平均粒徑約30的鉑粒子(田中貴金屬工業(yè)(株)制TEC10E50E)10g內(nèi)加水10g，并混合氫離子傳導性高分子電解質(zhì)的9重量％乙醇溶液(旭硝子(株)制フレミオン)55g而做成催化劑膏。
通過采用拉絲錠的條形涂敷工藝將該膏體涂敷在聚丙烯薄膜上并進行干燥，以作為氧化劑極側(cè)催化劑層。對催化劑層的涂量進行調(diào)整，使白金的含有量為每1cm2有0.3mg。
在導電性碳粉末中擔持了鉑釕合金(田中貴金屬工業(yè)(株)制TEC61E54)10g內(nèi)加水10g，并混合氫離子傳導性高分子電解質(zhì)的9重量％乙醇溶液(旭硝子(株)制造フレミオン)55g而做成催化劑膏。
通過采用拉絲錠的條形涂敷工藝將該膏體涂敷在聚丙烯薄膜上并進行干燥，作為燃料極側(cè)催化劑層。對催化劑層的涂量進行調(diào)整，使白金的含有量為每1cm2有0.3mg。
將帶有該催化劑層的聚丙烯薄膜分別切成6cm角，用前述的帶有催化劑層的兩組聚丙烯薄膜夾住氫離子傳導性高分子電解質(zhì)膜(日本goretex(株)制ゴア—セレクト、膜厚30μm)，以使催化劑膜成為內(nèi)側(cè)。然后，以130℃的溫度對夾持在兩組聚丙烯薄膜中的高分子電解質(zhì)膜進行10分鐘的熱壓以后，除去聚丙烯薄膜，就得到帶催化劑層的高分子電解質(zhì)膜。
在該帶催化劑層的高分子電解質(zhì)膜的兩側(cè)夾持氣體擴散層，以使含高分子的導電層成為內(nèi)側(cè)，以做成MEA。
另一方面，在黑鉛板上對氣體路徑和冷卻水路徑進行切削加工而制作隔離板。
用一對隔離板夾住MEA，而構(gòu)成燃料電池單元。
用該燃料電池單元，做成實施方式1的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
實施例1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運行的開始將在模擬了改良氣體的混合氣體(氫氣80％、二氧化碳20％、一氧化碳20ppm)中作為排氣而添加了混合氣體的體積的1％的量的空氣的氣體進行加濕并提供給燃料極側(cè)，以使露點達到70℃，將加濕的空氣提供給氧氣極側(cè)以使露點達到70℃。
以燃料利用率80％、氧氣利用率40％、電流密度200mA/cm2，進行發(fā)電。
調(diào)整冷卻水溫度，以使燃料電池單元501的入口側(cè)為70℃，出口側(cè)為72～75℃。
燃料電池單元501的電壓為0.75V。
實施例1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運行控制由交流信號產(chǎn)生部503順序地產(chǎn)生1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz、128Hz、256Hz的交流信號，并與該信號同步地控制負載電流。負載電流是在200mA/cm2的直流上疊加了±10mA/cm2的正弦波的電流。
由電壓測定部504觀測此時的電壓變化，由阻抗計測部505求出阻抗，并依照圖7～9的流程進行控制。
在表示本發(fā)明的實施例1以及比較例中的單元電壓的時效的圖22中，作為實施例1的單元電壓151，表示單元電壓的時效。
從開始運行經(jīng)過5000個小時以后，單元電壓151仍維持在0.70V以上。
(實施例2)與實施例1同樣地構(gòu)成燃料電池單元，采用該燃料電池單元與實施例1同樣地制作實施方式1的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
與實施例1同樣地進行運行，按照圖7～9的流程進行控制。
但是，在實施例2中，不進行圖9中的步驟30以及步驟32的Uf的增減。
在表示本發(fā)明的實施例2～6中的單元電壓的時效的圖23中，作為實施例2的單元電壓161，表示單元電壓的時效。
在從開始運行經(jīng)過5000個小時以后，單元電壓161仍維持在0.70V以上。
(實施例3)與實施例1同樣地構(gòu)成燃料電池單元，采用該燃料電池單元與實施例1同樣地制作實施方式1的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
與實施例1同樣地進行運行，按照圖7～9的流程進行控制。
但是，在實施例3中，不進行圖9中的步驟25以及步驟34的排氣量的增減。
在圖23中，作為實施例3的單元電壓162，表示單元電壓的時效。
在從開始運行到經(jīng)過4500個小時后，單元電壓162仍維持在0.70V以上。
(實施例4)與實施例1同樣地構(gòu)成燃料電池單元，采用該燃料電池單元與實施例1同樣地制作實施方式1的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
與實施例1同樣地進行運行，按照圖7～9的流程進行控制。
但是，在實施例4中，不進行圖8中的步驟21以及步驟23中的空氣加濕量的增減。
在圖23中，作為實施例4的單元電壓163，表示單元電壓的時效。
在從開始運行到經(jīng)過4000個小時以后，單元電壓163仍維持在0.70V以上。
(實施例5)與實施例1同樣地構(gòu)成燃料電池單元，采用該燃料電池單元與實施例1同樣地制作實施方式1的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
與實施例1同樣地進行運行，按照圖7～9的流程進行控制。
但是，在實施例5中，不進行圖7中的步驟12以及步驟14的冷卻水量的增減。
在圖23中，作為實施例5的單元電壓164，表示單元電壓的時效。
在從開始運行到經(jīng)過3500個小時后，單元電壓164仍維持在0.70V以上。
(實施例6)與實施例1同樣地構(gòu)成燃料電池單元，采用該燃料電池單元與實施例1同樣地制作實施方式1的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
與實施例1同樣地進行運行，按照圖7～9的流程進行控制。
但是，在實施例6中，不進行圖7中的步驟5以及步驟8的Uo的增減。
在圖23中，作為實施例6的單元電壓165，表示單元電壓的時效。
在從開始運行到經(jīng)過3000個小時后，單元電壓165仍維持在0.70V以上。
(實施例7)與實施例1同樣地構(gòu)成燃料電池單元，采用該燃料電池單元與實施例1同樣地制作實施方式2的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
實施例7中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開始運行將加濕的氫氣提供給燃料極側(cè)，以使露點達到70℃，將加濕的空氣提供給氧氣極側(cè)，以使露點達到70℃，以燃料利用率80％、氧氣利用率40％、電流密度200mA/cm2，進行發(fā)電。
調(diào)整冷卻水溫度，使燃料電池單元601的入口側(cè)為70℃，出口側(cè)為72～75℃。
實施例7中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運行的控制每天，在夜里將2小時電流密度減少為100mA/cm2，以后將電流密度設(shè)定為零并冷卻燃料電池單元601，停止系統(tǒng)運行。
早晨，以電流密度100mA/cm2運行一個小時以后，以額定電流密度運行。
為了增減電流密度，而從負載控制部603發(fā)出控制信號，以階梯狀增減負載602的負載電流。
由電壓測定部604觀測負載增減時的電壓的變化，數(shù)字化并由傅里葉變換部進行傅里葉變換。
然后，由阻抗計測部606求出阻抗，依照圖7～9的流程進行控制。
與實施例1一樣，從開始運行到經(jīng)過5000個小時以后，單元電壓仍維持在0.70V以上。
(實施例8)
實施例8中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作與實施例1同樣地構(gòu)成燃料電池單元，將60個這樣的燃料電池單元層疊起來構(gòu)成燃料電池組。
利用該電池組，制作實施方式3的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
實施例8中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開始運行從各燃料電池單元701的隔離板引出導線，連接到電壓測定部705。
將加濕的氫氣提供給燃料極側(cè)，以使露點達到70℃，將加濕的空氣提供給氧氣極側(cè)，以使露點達到70℃，以燃料利用率80％、氧氣利用率40％、電流密度200mA/cm2，進行發(fā)電。
調(diào)整冷卻水溫度，使燃料電池單元601的入口側(cè)為70℃，出口側(cè)為72～75℃。
實施例8中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運行的控制與實施例7同樣地減少電流密度來運行，計測此時的阻抗，按照圖7～9的流程進行控制。
與實施例1同樣，在從開始運行到經(jīng)過5000個小時以后，單元電壓仍維持在0.70V以上。
(比較例)比較例中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作將本比較例的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為具有與實施例1類似的構(gòu)成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)來制作。
比較例中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開始運行與實施例1同樣，分別將加濕的氫氣提供給燃料極側(cè)，以使露點達到70℃，將加濕的空氣提供給氧氣極側(cè)，以使露點達到70℃，以燃料利用率80％、氧氣利用率40％、電流密度200mA/cm2，進行發(fā)電。
比較例中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運行的控制本比較例的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運行，不變動負載電流，也不計測阻抗地進行。
圖22中，作為比較例的單元電壓152，表示單元電壓的時效。
在從開始運行到經(jīng)過2000個小時以后，單元電壓152低于0.70V，其后的2500小時內(nèi)，發(fā)電電壓急劇降低并停止發(fā)電。
通過將上述實施例1～8與比較例進行比較，可以看出根據(jù)本發(fā)明，可以把握燃料電池的狀況，由此可以維持燃料電池的最佳運行條件，因此可以長時間穩(wěn)定地維持燃料電池的發(fā)電。
另外，本發(fā)明的程序，是使計算機執(zhí)行上述本發(fā)明的燃料電池運行方法的全部或者一部分的步驟的程序，是與計算機協(xié)調(diào)動作的程序。
而且，本發(fā)明的記錄介質(zhì)，是保持由計算機執(zhí)行的上述本發(fā)明的燃料電池運行方法的全部或者一部分的步驟的全部或者一部分動作的程序的記錄介質(zhì)，是能由計算機讀取、且被讀取的所述程序與所述計算機協(xié)調(diào)動作，并執(zhí)行所述動作的記錄介質(zhì)。
此外，所謂本發(fā)明的所述‘一部分步驟’，是指在這多個步驟之中的一個或者幾個步驟。
而且，所謂本發(fā)明的所述‘步驟(或者工序、動作、作用等)的動作’是指所述步驟的全部或一部分的動作。
再有，本發(fā)明的程序的一利用方式，也可以是記錄在能由計算機讀取的記錄介質(zhì)中，并與計算機協(xié)調(diào)動作的方式。
還有，本發(fā)明的程序的一利用方式，也可以在傳送介質(zhì)中傳送，并由計算機讀取，與計算機協(xié)調(diào)動作的方式。
進而，作為記錄介質(zhì)，包含ROM等，作為傳送介質(zhì)，包含互聯(lián)網(wǎng)等傳送介質(zhì)、光·電波·音波等。
而且，上述本發(fā)明的計算機并不限于CPU等單純的硬件，也包含固件或OS以及外圍設(shè)備。
另外，如以上所說明的，本發(fā)明的構(gòu)成，既可以用軟件實現(xiàn)，也可以由硬件實現(xiàn)。
(工業(yè)上的可利用性)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)、燃料電池運行方法、程序、以及記錄介質(zhì)，可以進行對應(yīng)于燃料電池的發(fā)電異常的原因的更高可靠性的處理，是有用的。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備使相對用于發(fā)電而運行的燃料電池的負載電流進行變動的負載電流變動機構(gòu)；進行相對于所述負載電流的變動的電壓應(yīng)答相關(guān)測定的測定機構(gòu)；根據(jù)所述電壓應(yīng)答相關(guān)的測定結(jié)果，進行所述燃料電池的阻抗相關(guān)計算的計算機構(gòu)；和利用所述阻抗相關(guān)的計算結(jié)果，使所述燃料電池的運行條件發(fā)生變化的燃料電池控制機構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當以串聯(lián)連接的、具有(1)電阻值Rs的電阻；(2)相當于所述單元的陽極的反應(yīng)阻抗的、并聯(lián)連接的電容值C1的電容器以及電阻值R1的電阻；(3)相當于所述單元的陰極的反應(yīng)阻抗的、并聯(lián)連接的電容值C2的電容器以及電阻值R2的電阻；(4)相當于所述單元的陰極的擴散阻抗的、并聯(lián)連接的電容值C3的電容器以及電阻值R3的電阻的、等效電路來表示所述燃料電池的單元的情況下，所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算，是所述電容值C1、所述電阻值R1、所述電容值C2、所述電阻值R2、所述電容值C3以及所述電阻值R3的計算。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1與所述電阻值R1的組(C1，R1)，進入具有關(guān)于所述電容值C1的橫軸與關(guān)于所述電阻值R1的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a1(L)、常數(shù)b1(L)所定義的區(qū)域數(shù)1C1≤a1(L)R1+b1(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加關(guān)于向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的排氣量。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在即使增加了所述排氣量，所述組(C1，R1)也還是進入所述所定區(qū)域時，向外部發(fā)出所定警報，并停止所述燃料電池的運行。
5.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1與所述電阻值R1的組(C1，R1)進入具有關(guān)于所述電容值C1的橫軸與關(guān)于所述電阻值R1的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a1(U)、常數(shù)b1(U)所定義的區(qū)域數(shù)2a1(U)R1+b1(U)≤C1所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的排氣量。
6.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1與所述電阻值R1的組(C1，R1)，進入具有關(guān)于所述電容值C1的橫軸與關(guān)于所述電阻值R1的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c1(L)、常數(shù)d1(L)所定義的區(qū)域數(shù)3R1≤c1(L)C1+d1(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的燃料氣體利用率。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述所定的區(qū)域是由除所述常數(shù)c1(L)、所述常數(shù)d1(L)以外，再加上常數(shù)a1(L)、常數(shù)b1(L)、常數(shù)a1(U)、常數(shù)b1(U)所定義的區(qū)域數(shù)4
8.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1與所述電阻值R1的組(C1，R1)，進入具有關(guān)于所述電容值C1的橫軸與關(guān)于所述電阻值R1的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c1(U)、常數(shù)d1(U)所定義的區(qū)域數(shù)5c1(U)C1+d1(U)≤R1所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的所定的燃料氣體相關(guān)的燃料氣體利用率。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述所定的區(qū)域是由在所述常數(shù)c1(U)、所述常數(shù)d1(U)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)a1(L)、常數(shù)b1(L)、常數(shù)a1(U)、常數(shù)b1(U)所定義的區(qū)域數(shù)6
10.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C2與所述電阻值R2的組(C2，R2)，進入具有關(guān)于所述電容值C2的橫軸與關(guān)于所述電阻值R2的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a2(L)、常數(shù)b2(L)所定義的區(qū)域數(shù)7C2≤a2(L)R2+b2(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便進行所述燃料電池中的陰極催化劑相關(guān)的所定恢復操作。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在即使進行所述所定恢復操作后經(jīng)過所定的時間，所述組(C2，R2)還是進入所述所定區(qū)域時，向外部發(fā)出所定的警報，并停止所述燃料電池的運行。
12.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C2與所述電阻值R2的組(C2，R2)，進入具有關(guān)于所述電容值C2的橫軸與關(guān)于所述電阻值R2的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c2(L)、常數(shù)b2(L)所定義的區(qū)域數(shù)8R2≤c2(L)C2+d2(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的加濕量。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述所定的區(qū)域是由在所述常數(shù)c2(L)、所述常數(shù)d2(L)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)a2(L)、常數(shù)b2(L)所定義的區(qū)域數(shù)9
14.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C2與所述電阻值R2的組(C2，R2)，進入到具有關(guān)于所述電容值C2的橫軸與關(guān)于所述電阻值R2的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c2(U)、常數(shù)d2(U)所定義的區(qū)域數(shù)10c2(U)C2+d2(U)≤R2所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的加濕量。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述的所定區(qū)域是由在所述常數(shù)c2(U)、所述常數(shù)d2(U)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)a2(L)、常數(shù)b2(L)所定義的區(qū)域數(shù)11
16.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C3與所述電阻值R3的組(C3，R3)，進入到具有關(guān)于所述電容值C3的橫軸與關(guān)于所述電阻值R3的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a3(L)、常數(shù)b3(L)所定義的區(qū)域數(shù)12C3≤a3(L)R3+b3(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的冷卻水的水量。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述所定的區(qū)域是由在所述常數(shù)a3(L)、所述常數(shù)b3(L)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)c3(L)、常數(shù)d3(L)、常數(shù)c3(U)、常數(shù)d3(U)所定義的區(qū)域數(shù)13
18.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C3與所述電阻值R3的組(C3，R3)，進入到具有關(guān)于所述電容值C3的橫軸與關(guān)于所述電阻值R3的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)a3(U)、常數(shù)b3(U)所定義的區(qū)域數(shù)14a3(U)R3+b3(U)≤C3所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的冷卻水的水量。
19.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述所定的區(qū)域是由在所述常數(shù)a3(U)、所述常數(shù)b3(U)的基礎(chǔ)上，再加上常數(shù)c3(L)、常數(shù)d3(L)、常數(shù)c3(U)、常數(shù)d3(U)所定義的區(qū)域數(shù)15
20.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C3與所述電阻值R3的組(C3，R3)，進入到具有關(guān)于所述電容值C3的橫軸與關(guān)于所述電阻值R3的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c3(L)、常數(shù)d3(L)所定義的區(qū)域數(shù)16R3≤c3(L)C3+d3(L)所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便增加向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的氧化劑氣體利用率。
21.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C3與所述電阻值R3的組(C3，R3)，進入到具有關(guān)于所述電容值C3的橫軸與關(guān)于所述電阻值R3的縱軸的坐標平面中的、由常數(shù)c3(U)、常數(shù)d3(U)所定義的區(qū)域數(shù)17c3(U)C3+d3(U)≤R3所包含的所定區(qū)域時，進行變化，以便減少向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的氧化劑氣體利用率。
22.如權(quán)利要求21所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當所述氧化劑氣體利用率超過所定的次數(shù)而減少時，向外部發(fā)出所定的警報，所述燃料電池的運行在減少所述氧化劑氣體利用率的狀況下繼續(xù)進行。
23.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當以串聯(lián)連接的、具有(1)并聯(lián)連接的、相當于陽極的雙電荷層電容的電容值C1′的電容器以及相當于陽極的反應(yīng)電阻的電阻值R1′的電阻；(2)具有相當于(2a)陰極的雙電荷層電容的電容值C2′的電容器、(2b)串聯(lián)連接的、相當于陰極的反應(yīng)電阻的電阻值R2′的電阻以及相當于陰極的擴散電阻的電阻值W2R′的、并聯(lián)連接的瓦布格電阻；和(3)相當于高分子膜的電阻的電阻值R3′的電阻的、等效電路表示的情況下，所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算，是所述電容值C1′、所述電阻值R1′、所述電容值C2′、所述電阻值R2′、所述電阻值W2R′以及所述電阻值R3′的計算。
24.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1′低于所定的下限電容值時，增加向所述燃料電池供給的所定的燃料氣體相關(guān)的排氣量地進行變化。
25.如權(quán)利要求24所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當即使增加所述排氣量，所述電容值C1′還是低于所述所定的下限電容值時，則對外部發(fā)出所定的警報，并停止所述燃料電池的運行。
26.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C1′高于所定的上限電容值時，減少向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的排氣量地進行變化。
27.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R1′低于所定的下限電阻值時，則增加向所述燃料電池供給的所定的燃料氣體相關(guān)的燃料氣體利用率地進行變化。
28.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R1′高于所定的上限電阻值時，則減少向所述燃料電池供給的所定燃料氣體相關(guān)的燃料氣體利用率地進行變化。
29.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電容值C2′低于所定的下限電容值時，則進行變換，以使所述燃料電池中的陰極催化劑相關(guān)的所定恢復操作進行。
30.如權(quán)利要求29所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在即使進行所述恢復操作后經(jīng)過所定的時間，所述電容值C1′還是低于所述所定的下限電容值時，則對外部發(fā)出所定的警報，并停止所述燃料電池的運行。
31.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R2′低于所定的下限電阻值時，則減少向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的加濕量地進行變化。
32.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R2′高于所定的上限電阻值時，則增加向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的加濕量地進行變化。
33.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值W2R′低于所定的下限電阻值時，則增加向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的氧化劑氣體利用率地進行變化。
34.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值W2R′高于所定的上限電阻值時，則減少向所述燃料電池供給的所定氧化劑氣體相關(guān)的氧化劑氣體利用率地進行變化。
35.如權(quán)利要求34所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當所述氧化劑利用率超過所定的次數(shù)而減少時，則減少向所述燃料電池供給的冷卻水的水量地進行變化。
36.如權(quán)利要求35所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當向所述燃料電池供給的冷卻水的水量超過所定的次數(shù)而減少時，則向外部發(fā)出所定的警報，并在進一步減少所述氧化劑利用率的基礎(chǔ)上繼續(xù)所述燃料電池的運行。
37.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的運行條件是當所述電阻值R3′高于所定的上限電阻值時，則增加向所述燃料電池供給的冷卻水的水量地進行變化。
38.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述負載電流是重疊在所述燃料電池輸出的直流電流上的交流電流，所謂的變動所述負載電流，是變動所述重疊的交流電流的頻率，所述阻抗相關(guān)的計算，是根據(jù)變動所述頻率的交流電流的多個頻率中的所述燃料電池的阻抗的計算結(jié)果而進行的。
39.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所謂的變動所述負載電流，是將所述負載電流的電流值變動為階梯狀，所述阻抗相關(guān)的計算，是根據(jù)對將所述電流值變動為階梯狀的負載電流的時間函數(shù)進行傅里葉變換而得到的頻率函數(shù)，以及通過將相對于所述負載電流變動的電壓應(yīng)答的時間函數(shù)進行傅里葉變換而得到的頻率函數(shù)來進行的。
40.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池具有多個單元，所述測定機構(gòu)，對每個所述單元進行所述電壓應(yīng)答相關(guān)的測定，所述計算機構(gòu)，對每個所述單元進行所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算，所述燃料電池控制機構(gòu)，使所述燃料電池的運行條件按每個所述單元進行變化。
41.如權(quán)利要求40所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還具備用于將所述多個單元電連接到所述負載電流變動機構(gòu)上的第一布線；用于將所述多個單元電連接到所述測定機構(gòu)上的第二布線；用于進行所述多個單元與所述第一布線是否進行電連接的切換，以及所述多個單元與所述第二布線是否進行電連接的切換的、設(shè)置在每個單元內(nèi)的多個連接機構(gòu)；和用來利用所定的控制信號，控制所述多個連接機構(gòu)的連接裝置控制機構(gòu)。
42.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池相對于直流交流變換用逆變器串聯(lián)連接。
43.一種燃料電池運行方法，其特征在于，具備使相對于為了發(fā)電而運行的燃料電池的負載電流進行變動的負載電流變動步驟；進行相對于所述負載電流變動的電壓應(yīng)答相關(guān)的測定的測定步驟；根據(jù)所述電壓應(yīng)答相關(guān)的測定結(jié)果，進行所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算的計算步驟；和利用所述阻抗相關(guān)的計算的結(jié)果，使所述燃料電池的運行條件發(fā)生變化的燃料電池控制步驟。
44.一種程序，其特征在于，用來使計算機執(zhí)行權(quán)利要求43所述的燃料電池運行方法的使相對于為了發(fā)電而運行的燃料電池的負載電流進行變動的負載電流變動步驟；根據(jù)所述電壓應(yīng)答相關(guān)的測定結(jié)果，進行所述燃料電池的阻抗相關(guān)的計算的計算步驟；和利用所述阻抗相關(guān)的計算的結(jié)果，使所述燃料電池的運行條件發(fā)生變化的燃料電池控制步驟。
45.一種記錄介質(zhì)，其特征在于，是保持權(quán)利要求44所述的程序的記錄介質(zhì)，且能由計算機進行處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以充分地進行對應(yīng)于向陰極供給含氧的氧化劑、向陽極供給含氫的燃料氣體而發(fā)電的燃料電池的發(fā)電異常的原因的高可靠性的處理的燃料電池系統(tǒng)，其中具備包含使相對于為了發(fā)電而運行的燃料電池單元(501)的負載電流變動的負載(502)、交流信號產(chǎn)生部(503)的機構(gòu)；進行相對于負載電流的變動的電壓應(yīng)答的測定的電壓測定部(504)；根據(jù)電壓應(yīng)答相關(guān)的測定結(jié)果，進行所述燃料電池單元(501)的阻抗相關(guān)計算的阻抗計測部(505)；和利用阻抗相關(guān)的計算結(jié)果，使燃料電池單元(501)的運行條件發(fā)生變化的燃料電池控制部(506)。
文檔編號H01M8/04GK1577930SQ20041005890
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月24日
發(fā)明者武部安男, 寺西正俊, 中川貴嗣, 內(nèi)田誠, 瀨川彰繼 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社