(57)【要約】【課題】燃料電池の劣化を判定する方法において、燃料電池の内部環境、例えば酸化剤ガス排出配管を流通する酸化剤ガスによる乾湿入力の影響によって劣化しうる触媒層の劣化の判定における、判定の精度を向上する。【解決手段】燃料電池と、燃料電池から酸化剤ガスを排出させる排出口部と、排出口部に接続された酸化剤ガス排出配管と、酸化剤ガス排出配管に設けられた調圧弁と、を備える燃料電池システムにおける燃料電池の劣化判定方法は、酸化剤ガス排出配管の流路のうち、排出口部と調圧弁との間に配置された試験片であって、燃料電池のカソードに含まれる触媒層と同一組成の試験用触媒層を有する試験片を配置位置からの取り出す工程と、取り出した試験片を用いて、試験用触媒層の劣化の度合いの測定を行う工程と、測定の結果を用いて、触媒層における劣化の度合いを判定する工程と、を備える。【選択図】図１０
2020126719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池から酸化剤ガスを排出させる排出口部と、前記排出口部に接続された酸化剤ガス排出配管と、前記酸化剤ガス排出配管に設けられた調圧弁と、を備える燃料電池システムにおける前記燃料電池の劣化判定方法であって、
前記酸化剤ガス排出配管の流路のうち、前記排出口部と前記調圧弁との間に配置された試験片であって、前記燃料電池のカソードに含まれる触媒層と同一組成の試験用触媒層を有する試験片を配置位置からの取り出す工程と、
取り出した前記試験片を用いて、前記試験用触媒層の劣化の度合いの測定を行う工程と、
前記測定の結果を用いて、前記触媒層における劣化の度合いを判定する工程と、を備える、
劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池の劣化を判定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温型燃料電池の構成部材の劣化を判定できる燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１）。この燃料電池システムでは、構成部材の劣化を判定するための試験片が用いられる。この試験片は、断熱壁により取り囲まれた燃料電池収容空間に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１６２７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術において、試験片は、燃料電池の外部環境である燃料電池収容空間に配置されている。このため、燃料電池の内部環境によって劣化しうる構成部材、例えば燃料電池が有する触媒層の劣化を十分に判定することは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本開示の一形態によれば、燃料電池と、前記燃料電池から酸化剤ガスを排出させる排出口部と、前記排出口部に接続された酸化剤ガス排出配管と、前記酸化剤ガス排出配管に設けられた調圧弁と、を備える燃料電池システムにおける前記燃料電池の劣化判定方法が提供される。この劣化判定方法は、前記酸化剤ガス排出配管の流路のうち、前記排出口部と前記調圧弁との間に配置された試験片であって、前記燃料電池のカソードに含まれる触媒層と同一組成の試験用触媒層を有する試験片を配置位置からの取り出す工程と、取り出した前記試験片を用いて、前記試験用触媒層の劣化の度合いの測定を行う工程と、前記測定の結果を用いて、前記触媒層における劣化の度合いを判定する工程と、を備える。この形態の劣化判定方法によれば、酸化剤ガス排出配管の流路内に配置されている試験片が劣化の判定に用いられる。このため、燃料電池システムの内部環境、例えば酸化剤ガス排出配管を流通する酸化剤ガスによる乾湿入力の影響による試験用触媒層の劣化を判定できる。したがって、燃料電池システムの内部環境の影響を考慮した単セルの触媒層の劣化の判定が可能である。
本開示は、劣化判定方法以外の種々の形態で実現可能である。例えば、劣化判定システム等の形態で実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの模式図。
【図２】試験片設置部の模式図。
【図３】試験片の模式図。
【図４】湿度と触媒層におけるアイオノマの劣化分解速度との関係を示すグラフ。
【図５】湿潤状態での耐久実験における触媒層の劣化と経過時間と関係を示すグラフ。
【図６】乾燥状態での耐久実験における触媒層の劣化と経過時間と関係を示すグラフ。
【図７】乾湿状態での耐久実験における触媒層の劣化と経過時間と関係を示すグラフ。
【図８】触媒層の劣化と経過時間との関係を発電環境と非発電環境とにおいて比較するグラフ。
【図９】乾湿耐久の実験における触媒層の評価結果を示すグラフ。
【図１０】第１実施形態における燃料電池の劣化判定処理を含むメンテナンス方法のフローチャート。
【図１１】第２実施形態における燃料電池の劣化判定処理を含むメンテナンス方法のフローチャート。
【図１２】吸湿率と活性維持率との関係を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の模式図である。燃料電池システム１００は、燃料ガス（アノードガス）と酸化剤ガス（カソードガス）との反応によって発電する。燃料電池システム１００は、アノードとカソードとを有する燃料電池２０と、酸化剤ガス給排機構５０と、燃料ガス給排機構６０と、制御部８０と、を備える。本実施形態において、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、駆動用モータを駆動させる発電装置として用いられる。なお、燃料電池システム１００は、燃料電池車両以外の移動体、例えば、船舶や航空機に搭載されてもよい。また、燃料電池システム１００は、移動体に限らず、定置型の発電装置として用いられてもよい。
【０００９】
燃料電池２０は、単セル１０が複数積層されたスタック構造を有する。単セル１０は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応によって発電する固体高分子型の燃料電池である。単セル１０は、酸化剤ガスと燃料ガスとの反応を促す触媒層を有している。本実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。燃料電池２０には、内部へと酸化剤ガスを流入させる流入口部２２と、内部から酸化剤ガスを排出させる排出口部２４と、が設けられている。燃料電池２０で発電が行われている期間である発電期間において、燃料電池２０内の湿度は、酸化剤ガスと燃料ガスとの化学反応によって生じる生成水によって湿潤状態、例えば湿度７０％以上に保たれている。燃料電池２０は、不図示の冷却機構によって適切な温度に調整されている。なお、燃料電池２０内の湿度は、燃料電池システム１００に備えられた加湿モジュールによって調整されていてもよい。
【００１０】
触媒層は、電気化学反応を進行させる触媒を担持した触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有する高分子電解質（以降、「アイオノマ」と呼ぶ）と、を有する。触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムなどの他の金属との合金によって形成された粒径が１〜５ｎｍの微粒子が利用可能である。カーボンとしては、例えば、粒径が１０〜５０ｎｍのカーボン粒子を持つカーボンブラックが利用可能である。アイオノマとしては、電解質膜を形成する材料と同様の高分子電解質が利用可能である。アイオノマは、電解質膜を構成する高分子電解質と同種のポリマーであっても良く、異種のポリマーであっても良い。
【００１１】
酸化剤ガス給排機構５０は、燃料電池２０に酸化剤ガスである空気を供給すると共に、燃料電池２０から排出される酸化剤ガスを外部に排出する機能を有する。酸化剤ガス給排機構５０は、酸化剤ガス供給配管５２と、酸化剤ガス排出配管５３と、エアコンプレッサ５８と、試験片設置部７０と、を備えている。
【００１２】
酸化剤ガス供給配管５２は、流入口部２２を介して燃料電池２０に接続された配管である。酸化剤ガス供給配管５２は、酸化剤ガス供給流路を規定する。エアコンプレッサ５８は、酸化剤ガス供給流路の途中に配置され、酸化剤ガスを燃料電池２０へ吐出する。エアコンプレッサ５８と流入口部２２との間には、開閉弁５５１が設けられている。
【００１３】
酸化剤ガス排出配管５３は、排出口部２４を介して燃料電池２０に接続された配管である。酸化剤ガス排出配管５３は、エアコンプレッサ５８から吐出された酸化剤ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出流路を規定する。酸化剤ガス排出配管５３には、調圧弁５５３が設けられている。
【００１４】
試験片設置部７０は、酸化剤ガス排出配管５３の流路のうち、排出口部２４と調圧弁５５３との間に設けられている。試験片設置部７０は、燃料電池２０の劣化の判定に用いられる試験片９０の配置位置として機能する。試験片９０は、試験片設置部７０において、酸化剤ガス排出配管５３の流路内に配置されている。本実施形態において、試験片設置部７０と排出口部２４との間には、湿度を変動させる機構、例えば弁機構やフィルターが設けられていない。このため、試験片設置部７０における湿度は、燃料電池２０内の酸化剤ガスの流通経路における湿度と同視可能である。本実施形態において、試験片９０は、後述する燃料電池２０の劣化判定処理において用いられる。
【００１５】
燃料ガス給排機構６０は、燃料電池２０に燃料ガスである水素を供給する機能を有する。燃料ガス給排機構６０は、水素タンク６１と燃料ガス流通配管６２と水素ポンプ６５と気液分離器６６とを備える。水素タンク６１は、燃料ガスを貯蔵するための高圧タンクであり、シャットバルブ６８を開状態とすることで燃料ガスを排出する。燃料ガス流通配６２は、燃料ガスを流通させるための流路である、燃料ガス供給流路６３と燃料ガス循環流路６４とを規定する。燃料ガス供給流路６３は、燃料ガスを燃料電池２０に供給するための流路であり、水素タンク６１と燃料電池２０とを接続する流路である。燃料ガス供給流路６３の途中には、燃料ガス循環流路６４が接続されている。燃料ガス循環流路６４は、燃料電池２０の内部を通過した未反応の燃料ガスを回収し、燃料電池２０に再度供給するための流路である。燃料ガス循環流路６４の途中には、燃料ガスを送り出すための水素ポンプ６５と燃料ガスと燃料ガス中に含まれる液水とを分離するための気液分離器６６が配置されている。燃料ガス中に含まれる液水は、燃料電池２０における電気化学反応によって生成される生成水である。気液分離器６６によって分離された液水は、開閉弁６７を開状態とすることで外部へと排出される。
【００１６】
制御部８０は、燃料電池システム１００の各構成、例えばエアコンプレッサ５８や水素ポンプ６５の動作を制御する。具体的には、例えば、制御部８０は、エアコンプレッサ５８と水素ポンプ６５とを制御することによって、燃料電池２０内の生成水を外部に排出するための掃気処理を実行する。掃気処理は、非発電状態において実行される。掃気処理によって、燃料電池２０内の湿度は、発電状態における湿度よりも低くなるように調整される。なお、発電状態は、燃料電池システム１００への発電要求がされている状態である。非発電状態は、燃料電池システム１００への発電要求がされていない状態である。
【００１７】
図２は、試験片設置部７０の模式図である。試験片設置部７０は、酸化剤ガス排出配管５３の内部空間である酸化剤ガス排出流路５３４において、試験片９０の固定に用いられる保持部７２と、酸化剤ガス排出配管５３との結合に用いられる結合部７４とを有する。本実施形態において、試験片設置部７０は、酸化剤ガスの流通方向Ｆｄに沿って見た場合に略Ｌ字形状を有する固定具である。
【００１８】
結合部７４は、酸化剤ガス排出配管５３に設置された状態において、酸化剤ガス排出配管５３の内壁面５３２に沿って延びる板状部材である。このため、結合部７４は、内壁面５３２に交差するように延びている場合と比べて、酸化剤ガス排出流路５３４における酸化剤ガスの流通を阻害しない。したがって、試験片設置部７０による圧損影響が低減される。結合部７４は、不図示の締結部材によって、内壁面５３２に結合されている。
【００１９】
保持部７２は、結合部７４から酸化剤ガス排出配管５３の内方に向って延びる板状部材である。保持部７２は、一方の面において、試験片９０を保持する。保持部７２における試験片９０の保持には、不図示の締結部材が用いられる。保持部７２の面内方向は、酸化剤ガスの流通方向Ｆｄと平行である。このため、保持部７２は、面内方向が流通方向Ｆｄと交差する場合と比べて、酸化剤ガス排出流路５３４における酸化剤ガスの流通を阻害しない。したがって、試験片設置部７０による圧損影響が低減される。なお、平行とは、流通方向Ｆｄと保持部７２との成す角度のうち鋭角となる角度が１０度未満であることを意味する。
【００２０】
図３は、試験片９０の模式図である。試験片９０は、試験用触媒層９２と、枠部９４とを有する。試験用触媒層９２は、燃料電池２０のカソードに含まれる触媒層と同一組成の触媒層である。枠部９４は、試験用触媒層９２の四辺を固定可能な剛性を有する枠状部材である。枠部９４は、試験片９０の保持部７２への取り付けに用いられる。本実施形態において、枠部９４は、各辺の長さが５センチメートルの正方形状である。また試験用触媒層９２は、単セル１０に設けられた触媒層と同一の厚みを有する。試験用触媒層９２は、各辺の長さが３センチメートルの正方形の板状に加工されている。図２に示す様に、試験片９０は、酸化剤ガス排出流路５３４内に配置されている。このため、試験片９０には、酸化剤ガスによる乾燥及び湿潤の入力である乾湿入力の影響が直接される。以下において、単に「触媒層」と呼ぶ場合には、原則として燃料電池２０のカソード側に含まれる触媒層を意味する。
【００２１】
図４は、湿度と触媒層におけるアイオノマの劣化分解速度との関係を示すグラフである。図４では、実験によって得られた値とともに、実験によって得られた値を近似する曲線が破線で示されている。図４に示したグラフでは、発電状態における触媒層の劣化評価のために、燃料電池２０のカソード側におけるアイオノマの化学的劣化を示している。化学的劣化を示す指標としては、劣化分解速度が用いられている。劣化分解速度は、Ｆ−イオンの単位面積あたりの発生速度であるＦＥＲ（Ｆ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｒａｔｅ）［μｇ／ｃｍ＾２／ｈｒ］を用いて示されている。図４における劣化分解速度は、温度９５℃の環境において取得されている。また、図４において用いられたアイオノマにおけるＦｅ含有量は、３８ｐｐｍである。図４において湿度は、相対湿度が用いられている。図４に示す様に、触媒層中のアイオノマの劣化分解速度は、湿度が低いほど大きい傾向がある。このため、燃料電池２０内における湿度は、発電状態において、基準湿度未満にならないように調整されていることが好ましい。基準湿度は、アイオノマの劣化分解速度を通常の使用において許容可能な大きさに低減することができる湿度である。基準湿度は、例えば使用環境下における温度等の使用条件やアイオノマ中のＦｅ等の金属イオン含有量等の触媒層の組成によって変化する。例えば、本実施形態における使用条件及び触媒層の組成において、基準湿度は、４０％である。このため、燃料電池２０の湿度は、４０％以上に調整されていることが好ましく、６０％以上に調整されていることがより好ましい。本実施形態では、燃料電池２０の湿度は、発電状態において、７０％以上に調整されている。
【００２２】
図５は、湿潤状態での耐久実験における触媒層の劣化と経過時間と関係を示すグラフである。図６は、乾燥状態での耐久実験における触媒層の劣化と経過時間と関係を示すグラフである。図７は、乾湿状態での耐久実験における触媒層の劣化と経過時間と関係を示すグラフである。図５から図７に示したグラフは、それぞれ異なる劣化環境における耐久実験によって得られた触媒層の劣化度合いを用いて作成されている。劣化環境は、実験のために予め定められた条件に調整された環境である。図５から図７に示したグラフでは、予め定めた劣化環境における触媒層の劣化と経過時間における関係が示されている。
【００２３】
図５から図７における劣化環境では、設定されている湿度が異なる。具体的には、図５における劣化環境は、湿潤状態、本実施形態において相対湿度１００％の環境である。図６における劣化環境は、乾燥状態、本実施形態において相対湿度１０％の環境である。図７における劣化環境は、乾燥状態と湿潤状態とを繰り返す乾湿状態、本実施形態において相対湿度が１０％と１００％とに繰り返し変化する環境である。
【００２４】
図５から図７に示したグラフでは、触媒層の劣化評価には、電気化学的に測定される触媒層の発電性能が用いられている。触媒層の劣化評価の基準として、触媒層の発電性能を用いる場合には、化学的な基準を用いる場合と比べて、触媒層の劣化が燃料電池システム１００の性能に与える影響を直接的に評価することが可能である。図５から図７に示したグラフの縦軸は、予め定められた測定条件における活性維持率である。この活性維持率は、劣化環境下におかれる前の初期状態における電流値を１として、測定された電流値を規格化した値である。活性維持率は、１より小さいほど、発電性能が低下していることを示している。図５から図７に示したグラフの横軸は、劣化環境下におかれた期間である。期間には、予め定められた期間である１サイクルを基準に示されている。本実施形態において、電気化学的な測定とは、ＩＶ測定である。測定条件は、電圧値０．８６Ｖ、相対湿度８０％である。図５から図７における劣化環境では、触媒層の周囲の気体は空気であり、温度は同一に設定されている。
【００２５】
図５及び図６に示す様に、化学的劣化と異なり、湿潤状態が継続する環境と、乾燥状態が継続する環境と、を比較した場合に、触媒層の発電性能の低下の程度に大きな差が見られない。このことから、発明者らは、触媒層の発電性能の低下が図４に示す化学的劣化のみに起因していないことを見出した。また、図７に示す様に、触媒層の発電性能は、乾湿状態の劣化環境下において低下する。つまり、乾燥状態と湿潤状態とを繰り返す乾湿状態の環境によって、発電性能の低下が促進される。
【００２６】
発明者らは、乾湿環境による発電性能の低下が、触媒層の化学的な劣化に加えて、乾湿状態に起因する触媒層の機械的な劣化によって生じることを見出した。乾湿状態に起因する触媒層の機械的な劣化とは、例えば乾燥による収縮と湿潤による膨張とを触媒層が繰り返すことによって生じる亀裂である。燃料電池システム１００において、燃料電池２０内の湿度は、発電状態において高く、非発電状態において低くなる。このため、燃料電池システム１００において、非発電状態と発電状態との切り替えが繰り返されることにより、燃料電池２０内が乾湿状態となりうる。
【００２７】
図８は、触媒層の劣化と経過時間との関係を発電環境と非発電環境とにおいて比較するグラフである。図８における縦軸及び横軸は、図５から図７と同様である。図８では、実験によって得られた値とともに、実験によって得られた値を近似する曲線が示されている。具体的には、発電環境における近似曲線は破線で示され、非発電環境における近似曲線は実線で示されている。図８における劣化環境は、乾燥状態と湿潤状態とを繰り返す乾湿状態である。発電環境は、触媒層に酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されることにより、触媒層における発電が行われる環境である。一方、非発電環境は、燃料電池２０のアノードに含まれる触媒層に燃料ガスが供給されず、触媒層における発電が行われない環境である。図８に示す様に、触媒層の劣化は、非発電環境と比べて、発電環境において促進される。
【００２８】
図８に示した実験では、非発電環境での劣化速度と発電環境での劣化速度とに相関があることが示された。具体的には、経過時間が一定である場合において、１から発電環境での活性維持率を減じた値である発電時活性低下率は、１から非発電環境での活性維持率を減じた値である非発電時活性低下率に定数Ａを乗じた値によって近似可能である。定数Ａは、１未満の正の値であり、本実施形態において、０．６である。このため、非発電環境における活性維持率を用いることによって、発電環境における活性維持率を推定できる。したがって、非発電環境において酸化剤ガスに曝される試験用触媒層９２の活性維持率を用いて、発電環境において酸化剤ガスに曝される単セル１０の触媒層の活性維持率を推定できる。
【００２９】
図９は、乾湿耐久の実験における触媒層の評価結果を示すグラフである。図９における縦軸及び横軸は、図５から図８と同様である。図９において、乾湿環境の乾燥状態における湿度を変えて劣化の度合いを比較している。第１条件では、乾燥状態における湿度は１０％であり、湿度１００％と湿度１０％とを繰り返す。第２条件では、乾燥状態における湿度は３０％であり、湿度１００％と湿度３０％とを繰り返す。第３条件では、乾燥状態における湿度は５０％であり、湿度１００％と湿度５０％とを繰り返す。
【００３０】
図９に示す様に、発電性能の低下は、３つの条件のうち第１条件において最も大きく、第３条件において最も小さい。このため、乾湿環境において、湿潤状態における湿度が同一である場合には、乾燥状態における湿度を高くすることによって燃料電池２０の発電性能の低下を抑制できることが示唆された。
【００３１】
図１０は、第１実施形態における燃料電池２０の劣化判定処理を含むメンテナンス方法のフローチャートである。この劣化判定処理は、燃料電池システム１００のメンテナンスが行われる際に実行される。メンテナンスとは、保守点検、例えば燃料電池システム１００を搭載する燃料電池車両の車検等の定期検診や故障時の車両検査を意味する。
【００３２】
メンテナンスが開始されると、劣化判定処理（ステップＳ１１０）が実行される。劣化判定処理（ステップＳ１１０）では、最初に、酸化剤ガス排出配管５３の試験片設置部７０から試験片９０を取り出す工程が実行される（ステップＳ１０２）。具体的には、例えば、劣化判定処理（ステップＳ１１０）を行う作業者によって、試験片設置部７０から試験片９０が取り出される。ステップＳ１０２の処理の後に、ステップＳ１０４の処理が実行される。
【００３３】
ステップＳ１０４の処理では、試験片９０に含まれる試験用触媒層９２の劣化度合いが測定される。具体的には、例えば、作業者が電気化学的な測定が可能な測定機器を用いて試験用触媒層９２の活性維持率を測定することにより、試験用触媒層９２の劣化度合いが測定される。活性維持率の測定の際における湿度や電圧である測定条件は、図４から図９を用いて説明した実験における測定方法と同様に、電圧値０．８６Ｖ、相対湿度８０％である。なお、活性維持率の測定における、測定条件は、適宜変更可能である。ステップＳ１０４の処理が完了した後に、ステップＳ１０６の処理が実行される。
【００３４】
ステップＳ１０６の処理では、ステップＳ１０４の処理における測定結果を用いて、燃料電池２０のカソードに含まれる触媒層における劣化の度合いが判定される。具体的には、測定された活性維持率が予め定めた第１の閾値以上であるか否かが判定される。第１の閾値は、燃料電池２０の発電性能が燃料電池２０の取り替えが必要な程度に低下しているか否かを判断するために定められた値である。例えば、第１の閾値は、燃料電池車両の走行において要求される発電要求量と、発電要求量の電力を発電するために必要な発電性能と、を考慮して定められる。第１の閾値は、試験用触媒層９２の活性維持率と単セル１０の触媒層の活性維持率との相関関係を加味して設定されている。ステップＳ１０６の処理において、測定された活性維持率が第１の閾値未満である場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）には、判定処理（ステップＳ１１０）を終了して、燃料電池２０の取り替え（ステップＳ１２２）が実行される。燃料電池２０の取り替え（ステップＳ１２２）が完了した後に、メンテナンス処理が終了される。
【００３５】
ステップＳ１０６の処理において、測定された活性維持率が第１の閾値以上である場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）には、劣化判定処理（ステップＳ１１０）のステップＳ１０８の処理が実行される。ステップＳ１０８の処理では、ステップＳ１０４の処理における測定結果を用いて、さらに、燃料電池２０の触媒層における劣化の度合いが判定される。具体的には、測定された活性維持率が予め定めた第２の閾値以上であるか否かが判定される。第２の閾値は、燃料電池２０の発電性能が劣化抑制制御の実行が必要な程度に低下しているか否かを判定するための値である。例えば、第２の閾値は、試験用触媒層９２の活性維持率が第１の閾値未満になるまでに要すると予想される期間を考慮して定められる。第２の閾値は、第１の閾値と同様に、試験用触媒層９２の活性維持率と単セル１０の触媒層の活性維持率との相関関係を加味して設定されている。劣化抑制制御は、制御部８０によって実行される燃料電池２０の触媒層の劣化を抑制するための制御である。ステップＳ１０８の処理において、測定された活性維持率が第２の閾値未満である場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）には、判定処理（ステップＳ１１０）が終了されるとともに、メンテナンスが終了される。
【００３６】
ステップＳ１０８の処理において、測定された活性維持率が第２の閾値未満である場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）には、判定処理（ステップＳ１１０）を終了して、劣化抑制制御の実行の指示が燃料電池システム１００に入力される（ステップＳ１２４）。劣化抑制制御の実行の指示の入力は、作業者によって行われる。劣化抑制制御では、例えば、燃料電池２０内の湿度が低下しやすい非発電状態における燃料電池２０内の湿度が通常より高くなるように、燃料電池システム１００の各構成、例えばエアコンプレッサ５８が制御される。具体的には、劣化抑制制御では、例えば、掃気処理における掃気が実行される時間の短縮や、掃気処理における掃気量の低減が実行される。劣化抑制制御が実行されている場合において、掃気処理後の燃料電池２０内の湿度は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましい。劣化抑制制御の実行の指示の入力（ステップＳ１２４）が完了した後に、メンテナンス処理が終了される。
【００３７】
第１実施形態の劣化判定方法によれば、酸化剤ガス排出配管５３の酸化剤ガス排出流路５３４内に設けられた試験片設置部７０に配置されている試験片９０が燃料電池２０の劣化の判定に用いられる。このため、燃料電池システム１００の内部環境、例えば酸化剤ガス排出配管５３を流通する酸化剤ガスによる乾湿入力の影響による試験用触媒層９２の劣化の度合いを用いて燃料電池２０の劣化の度合いを判定できる。したがって、燃料電池システム１００の内部環境の影響を考慮した燃料電池２０の触媒層の劣化の判定が可能である。
【００３８】
また第１実施形態の劣化判定方法によれば、発電性能の低下を用いて、燃料電池２０の劣化が判定される。発電性能の低下には、触媒層における化学的な劣化に加えて、触媒層における機械的劣化の影響も反映される。したがって、触媒層の化学的劣化のみを用いて燃料電池２０の劣化を判定する場合と比べて、判定における精度が向上する。
【００３９】
また第１実施形態の劣化判定法によれば、試験用触媒層９２の劣化の判定には、試験用触媒層９２の活性維持率が用いられている。活性維持率は、他の評価指標、例えば化学的劣化の評価指標であるＦＥＲと比べて、容易に測定できる。また、活性維持率の測定は、他の評価指標の測定と比べて、短時間で行うことができる。したがって、メンテナンスを行う際に要する作業者の労力を低減できる。
【００４０】
Ｂ．第２実施形態
図１１は、第２実施形態における燃料電池２０の劣化判定処理を含むメンテナンス方法のフローチャートである。第２実施形態における劣化判定方法（ステップＳ２１０）は、試験用触媒層９２の劣化を判定に電気化学的な測定方法が用いられていない点において、第１実施形態における劣化判定方法（ステップＳ１１０）と異なる。具体的には、第２実施形態において、試験用触媒層９２の劣化は、吸湿率を用いて、測定される。以下において、第１実施形態と同様の構成および処理については、同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４１】
図１２は、吸湿率と活性維持率との関係を示したグラフである。図１２において、縦軸は活性維持率であり、横軸は吸湿率である。吸湿率は、触媒層の絶乾重量と吸湿後重量とを比較することによって算出される。絶乾重量は、絶乾状態における触媒層の重量である。吸湿後重量は、絶乾状態から湿度７５％の環境に１時間放置した後における触媒層の重量である。絶乾状態とは、本実施形態において、触媒層に６０℃で２４時間の乾燥処理を行った後の状態である。吸湿率は、具体的には、吸湿後重量と絶乾重量との差を絶乾重量で割り１００を乗じて得られる値である。図１２に示したように、吸湿率と活性維持率には相関性がある。このため、活性維持率と同様に、吸湿率は、燃料電池２０の劣化の度合いの判定に用いることができる。
【００４２】
図１１に示す様に、第２実施形態において燃料電池システム１００のメンテナンスが開始されると、劣化判定処理（ステップＳ２１０）が実行される。劣化判定処理（ステップＳ２１０）では、最初に、酸化剤ガス排出配管５３の試験片設置部７０から試験片９０を取り出す工程を実行する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２の処理の後に、ステップＳ２０４の処理が実行される。
【００４３】
ステップＳ２０４の処理では、試験片９０に含まれる試験用触媒層９２の劣化度合いが測定される。具体的には、例えば、作業者が試験用触媒層９２の吸湿率を測定することにより、試験用触媒層９２の劣化度合いが測定される。ステップＳ２０４の処理が完了した後に、ステップＳ２０６の処理が実行される。
【００４４】
ステップＳ２０６の処理では、ステップＳ２０４の処理における測定結果を用いて、燃料電池２０の触媒層における劣化の度合いが判定される。具体的には、測定された吸湿率が予め定めた第３の閾値以上であるか否かが判定される。第３の閾値は、燃料電池２０の発電性能が燃料電池２０の取り替えが必要な程度に低下しているか否かを判断するために定められた値である。例えば、第３の閾値は、第１実施形態における第１の閾値と同様に、燃料電池車両の走行において要求される発電要求量と、発電要求量の電力を発電するために必要な発電性能と、を考慮して定められる。ステップＳ２０６の処理において、測定された吸湿率が第３の閾値未満である場合（ステップＳ２０６：Ｎｏ）には、判定処理（ステップＳ２１０）を終了して、燃料電池２０の取り替えが実行される（ステップＳ１２２）。燃料電池２０の取り替えが完了した後に、メンテナンス処理が終了される。
【００４５】
ステップＳ２０６の処理において、測定された活性維持率が第１の閾値以上である場合（ステップＳ２０６：Ｙｅｓ）には、劣化判定処理（ステップＳ２１０）におけるステップＳ２０８の処理が実行される。ステップＳ２０８の処理では、ステップＳ２０４の処理における測定結果を用いて、さらに、燃料電池２０の触媒層における劣化の度合いが判定される。具体的には、測定された吸湿率が予め定めた第４の閾値以上であるか否かが判定される。第４の閾値は、燃料電池２０の発電性能が劣化抑制制御の実行が必要な程度に低下しているか否かを判定するための値である。例えば、第４の閾値は、試験用触媒層９２の吸湿率が第３の閾値未満になるまでに要すると予想される期間を考慮して定められる。ステップＳ２０８の処理において、測定された活性維持率が第３の閾値未満である場合（ステップＳ２０８：Ｎｏ）には、判定処理（ステップＳ２１０）が終了されるとともに、メンテナンスが終了される。ステップＳ２０８の処理において、測定された活性維持率が第４の閾値未満である場合（ステップＳ２０８：Ｎｏ）には、判定処理（ステップＳ２１０）を終了して、劣化抑制制御の実行の指示が燃料電池システム１００に入力される（ステップＳ１２４）。劣化抑制制御の実行の指示の入力（ステップＳ１２４）が完了した後に、メンテナンス処理が終了される。
【００４６】
以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の構成および同様の処理を有する点において、同様の効果を奏する。さらに、第２実施形態における劣化判定方法によれば、燃料電池２０の触媒層の劣化の度合いの判定には、試験用触媒層９２の吸湿率が用いられている。吸湿率は、他の評価指標、例えば化学的劣化の評価指標であるＦＥＲと比べて、重量測定等の容易な操作によって測定できる。したがって、メンテナンスを行う作業者が専門的な知識を有していない場合であっても劣化の判定を容易に実行できる。
【００４７】
Ｃ．他の実施形態
上記実施形態において、試験片設置部７０には、１つの試験片９０が配置されている。しかし、試験片設置部７０に配置される試験片９０の数は、２以上であってもよい。試験片設置部７０に２以上の試験片９０が設けられている場合には、メンテナンスが行われる毎に、試験片９０を再度設置する必要がない。また、２回以上のメンテナンスが行われる場合であっても、メンテナンス毎に燃料電池２０の搭載時からの経時的変化を確認できる。
【００４８】
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０…単セル、２０…燃料電池、２２…流入口部、２４…排出口部、５０…酸化剤ガス給排機構、５２…酸化剤ガス供給配管、５３…酸化剤ガス排出配管、５８…エアコンプレッサ、６０…燃料ガス給排機構、６１…水素タンク、６２…燃料ガス流通配管、６３…燃料ガス供給流路、６４…燃料ガス循環流路、６５…水素ポンプ、６６…気液分離器、６７…開閉弁、６８…シャットバルブ、７０…試験片設置部、７２…保持部、７４…結合部、８０…制御部、９０…試験片、９２…試験用触媒層、９４…枠部、１００…燃料電池システム、５３２…内壁面、５３４…酸化剤ガス排出流路、５５１…開閉弁、５５３…調圧弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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