(57)【要約】【課題】本発明は、電解質膜に残留する残水量を減少させる残水低減処理を実施する燃料電池システムにおけるエネルギ効率を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜２１４５を有する燃料電池２０と、燃料電池２０の発電停止後に残留する残水量を減少させる残水低減処理（ステップＳ１３０，Ｓ２４０）を実施する残水低減部９１１と、燃料電池２０における触媒層の抵抗値Ｒｃを検知する抵抗検知部９１４と、抵抗値Ｒｃが基準閾値を超えた以降、残水低減部９１１による残水低減処理（ステップＳ１３０，Ｓ２４０）の実施を禁止する禁止部９１６とを備える。【選択図】図１
2010102846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
触媒を担持する触媒層が積層された電解質膜を有する燃料電池と、
前記燃料電池の運転停止時における前記燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる残水低減処理を実施する残水低減部と、
前記燃料電池における前記触媒層の電気抵抗値を検知する抵抗検知部と、
前記抵抗検知部によって検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、前記残水低減部による前記残水低減処理の実施を禁止する禁止部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記抵抗検知部は、前記残水低減部によって前記残水低減処理が実施された状態で前記触媒層の電気抵抗値を検知する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記残水低減部は、前記燃料電池の運転を停止する際に前記燃料電池を掃気することによって前記燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる掃気ガス供給処理を実施する掃気ガス供給部を含み、
前記禁止部は、前記抵抗検知部によって検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、前記掃気ガス供給部による前記掃気ガス供給処理の実施を禁止する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記残水低減部は、前記燃料電池に供給される反応ガスの湿度を低下させることによって前記燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる低湿ガス供給処理を実施する低湿ガス供給部を含み、
前記禁止部は、前記抵抗検知部によって検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、前記低湿ガス供給部による前記低湿ガス供給処理の実施を禁止する、燃料電池システム。
【請求項５】
触媒を担持する触媒層が積層された電解質膜を有する燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池の運転停止時における前記燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる残水低減処理を実施し、
前記燃料電池における前記触媒層の電気抵抗値を検知し、
前記検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、前記燃料電池に対する前記残水低減処理の実施を禁止する、燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒を担持する触媒層が積層された電解質膜を有する燃料電池の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料電池における燃料ガスおよび酸化ガス（本明細書では、これらのガスを「反応ガス」と総称する）の電気化学反応によって発電を実施する。電解質膜のアノード側には燃料ガスが供給され、電解質膜のカソード側には酸化ガスが供給される。燃料電池における電解質膜のアノード側およびカソード側には、反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒を担持する触媒層がそれぞれ積層され、これらの触媒層には反応ガスを拡散させる拡散層がそれぞれ積層されている。
【０００３】
発電を停止した状態で燃料電池が低温環境に置かれると、電解質膜から触媒層が剥離してしまう触媒層剥離が発生する場合があり、この触媒層剥離によって燃料電池の発電性能は低下してしまう。触媒層剥離は、次の現象１，２に起因すると考えられる（非特許文献１）。
現象１：触媒層と拡散層に残留する残水が凍結した状態で、電解質膜が収縮する。これによって、触媒層に剪断応力が加わる。なお、残水が多い程、触媒層と拡散層との界面が固着し、剪断応力が加わり易くなる。
現象２：電解質膜から触媒層に不凍水が移動し、電解質膜と触媒層との界面で氷晶成長が起こる。
【０００４】
従来、触媒層剥離を抑制するために、燃料電池の運転停止時における電解質膜，触媒層，拡散層を含む燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる残水低減処理を実施する技術が提案されていた。特許文献１には、残水低減処理の一つとして、燃料電池に供給される反応ガスの湿度を低下させることによって燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる低湿ガス供給処理が記載されている。特許文献２には、残水低減処理の一つとして、燃料電池の運転を停止する際に燃料電池の内部を掃気することによって燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる掃気ガス供給処理が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２０９６３５号公報
【特許文献２】特開２００５−１４１９４０号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １７２（２００７），２０６−２２０，Ｍｅｎｃｈ他著
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、低湿ガス供給処理や掃気ガス供給処理などの残水低減処理の実施には、ポンプやバルブなどの機器を駆動するエネルギを消費するため、燃料電池システムのエネルギ効率を低下させてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる残水低減処理を実施する燃料電池システムにおけるエネルギ効率を向上させることができる技術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】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］  適用例１の燃料電池システムは、触媒を担持する触媒層が積層された電解質膜を有する燃料電池と、前記燃料電池の運転停止時における前記燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる残水低減処理を実施する残水低減部と、前記燃料電池における前記触媒層の電気抵抗値を検知する抵抗検知部と、前記抵抗検知部によって検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、前記残水低減部による前記残水低減処理の実施を禁止する禁止部とを備えることを特徴とする。適用例１の燃料電池システムによれば、触媒層剥離の進行が飽和した状態を触媒層の電気抵抗値に基づいて判断することによって、触媒層剥離の要因となる燃料電池の残水量を減少させる必要が無くなった場合に、残水低減処理の実施を省くことができる。その結果、触媒層剥離の進行を遅らせながら、触媒層剥離の進行が飽和した以降、燃料電池システムにおけるエネルギ効率を向上させることができる。
【００１０】
［適用例２］  適用例１の燃料電池システムにおいて、前記抵抗検知部は、前記残水低減部によって前記残水低減処理が実施された状態で前記触媒層の電気抵抗値を検知しても良い。適用例２の燃料電池システムによれば、電解質膜の残水量が電気抵抗値に与える影響を抑制することができるため、電気抵抗値に基づく触媒層剥離の判断を容易に行うことができる。
【００１１】
［適用例３］  適用例１または適用例２の燃料電池システムにおいて、前記残水低減部は、前記燃料電池の運転を停止する際に前記燃料電池を掃気することによって前記燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる掃気ガス供給処理を実施する掃気ガス供給部を含み、前記禁止部は、前記抵抗検知部によって検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、前記掃気ガス供給部による前記掃気ガス供給処理の実施を禁止するとしても良い。適用例３の燃料電池システムによれば、触媒層剥離の進行が飽和した以降、燃料電池の停止後に掃気ガス供給処理が省かれることによって、燃料電池システムの運転終了に要する時間を短縮することができる。
【００１２】
［適用例４］  適用例１ないし適用例３のいずれかの燃料電池システムにおいて、前記残水低減部は、前記燃料電池に供給される反応ガスの湿度を低下させることによって前記燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる低湿ガス供給処理を実施する低湿ガス供給部を含み、前記禁止部は、前記抵抗検知部によって検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、前記低湿ガス供給部による前記低湿ガス供給処理の実施を禁止するとしても良い。適用例４の燃料電池システムによれば、触媒層剥離の進行が飽和した以降、低湿ガス供給処理が省かれることによって、発電に好適な湿度で反応ガスを燃料電池に供給することができるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１３】
［適用例５］  適用例５の燃料電池の制御方法は、触媒を担持する触媒層が積層された電解質膜を有する燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池の運転停止時における前記燃料電池の内部に残留する残水量を減少させる残水低減処理を実施し、前記燃料電池における前記触媒層の電気抵抗値を検知し、前記検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、前記燃料電池に対する前記残水低減処理の実施を禁止することを特徴とする。適用例５の燃料電池の制御方法によれば、触媒層剥離の進行が飽和した状態を触媒層の電気抵抗値に基づいて判断することによって、触媒層剥離の要因となる燃料電池の残水量を減少させる必要が無くなった場合に、残水低減処理の実施を省くことができる。その結果、触媒層剥離の進行を遅らせながら、触媒層剥離の進行が飽和した以降、燃料電池システムにおけるエネルギ効率を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の形態は、燃料電池システムや燃料電池の制御方法に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システム、燃料電池を制御する機能をコンピュータに実現させるプログラムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。
【００１６】
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．燃料電池システム１０の構成：
図１は、燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池２０を備え、本実施例では、燃料電池２０で生成された電力を利用して走行する自動車に搭載されるシステムである。
【００１７】
本実施例では、燃料電池システム１０の燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池であり、複数の単セル２１０を積層したスタック構造を有する。本実施例では、燃料電池２０には、反応ガスとして、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとが供給される。
【００１８】
燃料電池２０に供給される燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。燃料電池２０に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式のシステムであり、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。
【００１９】
燃料電池２０に供給される酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。燃料電池２０に供給された酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って、酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。
【００２０】
燃料電池２０は、アノード導入口２３０と、アノード排気口２４０と、カソード導入口２５０と、カソード排気口２６０とを備える。燃料電池２０のアノード導入口２３０は、燃料ガスを燃料電池２０の外部から内部へと導入する。燃料電池２０のアノード排気口２４０は、アノードオフガスを燃料電池２０の内部から外部へと排気する。燃料電池２０のカソード導入口２５０は、酸化ガスを燃料電池２０の外部から内部へと導入する。燃料電池２０のカソード排気口２６０は、カソードオフガスを燃料電池２０の内部から外部へと排気する。
【００２１】
図２は、燃料電池２０における単セル２１０の詳細構成を示す説明図である。燃料電池２０の単セル２１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」と呼ぶ）２１４と、アノードセパレータ２１２と、カソードセパレータ２１６とを備える。単セル２１０のＭＥＡ２１４は、アノードセパレータ２１２とカソードセパレータ２１６との間に挟持されている。
【００２２】
単セル２１０のアノードセパレータ２１２は、ＭＥＡ２１４におけるアノード側の面に燃料ガスを流すアノード流路２１２５を形成する。単セル２１０のカソードセパレータ２１６は、ＭＥＡ２１４におけるカソード側の面に酸化ガスを流すカソード流路２１６５を形成する。アノードセパレータ２１２およびカソードセパレータ２１６は、反応ガスを流す上で十分な強度および耐熱性を有しガス不透過であって導電性を有し、例えば、ステンレス，カーボン樹脂，導電性セラミックスで形成することができる。
【００２３】
単セル２１０のＭＥＡ２１４は、アノード拡散層２１４２と、アノード触媒層２１４４と、電解質膜２１４５と、カソード触媒層２１４６と、カソード拡散層２１４８とを備え、この順序で、これらの層は一体的に積層されている。アノード拡散層２１４２およびアノード触媒層２１４４は、電解質膜２１４５のアノード側の面に積層され、アノード電極層を構成する。カソード触媒層２１４６およびカソード拡散層２１４８は、電解質膜２１４５のカソード側の面に積層され、カソード電極層を構成する。
【００２４】
ＭＥＡ２１４の電解質膜２１４５は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体から成る。例えば、電解質膜２１４５は、アイオノマ樹脂であるパーフルオロスルホン酸イオン交換膜を利用することができる。
【００２５】
ＭＥＡ２１４のアノード触媒層２１４４およびカソード触媒層２１４６は、電解質膜２１４５を介して行われる反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒機能に加え、ガス透過性，導電性，撥水性を有する。本実施例では、アノード触媒層２１４４およびカソード触媒層２１４６は、白金または白金合金を含む白金系触媒を担持した炭素担体と、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂とを混合した材料から成る。
【００２６】
ＭＥＡ２１４のアノード拡散層２１４２およびカソード拡散層２１４８は、ガス透過性，導電性，撥水性を有し、アノード拡散層２１４２は、アノード触媒層２１４４に燃料ガスを拡散させ、カソード拡散層２１４８は、カソード触媒層２１４６に酸化ガスを拡散させる。本実施例では、アノード拡散層２１４２およびカソード拡散層２１４８は、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスまたはカーボンペーパに、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ））を含浸させた材料から成る。
【００２７】
図１の説明に戻り、燃料電池システム１０の燃料電池２０には、交流インピーダンスセンサ８２２，８２６と、水分量センサ８２４と、温度センサ８２８とが設けられている。燃料電池システム１０の交流インピーダンスセンサ８２２は、アノード触媒層２１４４の交流インピーダンスを検知し、燃料電池システム１０の交流インピーダンスセンサ８２６は、カソード触媒層２１４６の交流インピーダンスを検知する。燃料電池システム１０の水分量センサ８２４は、電解質膜２１４５に含まれる含水量を検知する。水分量センサ８２４は、赤外線やマイクロ波などの電磁波を用いて電解質膜２１４５の含水量を非接触で検知しても良いし、含水量に応じた電気抵抗値の変化に基づいて電解質膜２１４５の含水量を直接的に検知しても良い。燃料電池システム１０の温度センサ８２８は、単セル２１０の温度を検知する。
【００２８】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０の他、アノード供給部３０と、カソード供給部５０と、制御部９０と、アノード供給路３００と、アノード排気路４００と、カソード供給路５００と、カソード排気路６００と、アノード循環路７００とを備える。燃料電池システム１０のアノード供給部３０は、制御部９０の指示に基づいて、燃料ガスを燃料電池２０に供給する。本実施例では、アノード供給部３０は、燃料ガスが貯蔵されたタンク（図示しない）から燃料ガスを供給する。燃料電池システム１０のカソード供給部５０は、制御部９０の指示に基づいて、酸化ガスを燃料電池２０に供給する。本実施例では、カソード供給部５０は、大気中の空気を酸化ガスとして供給する。
【００２９】
燃料電池システム１０のアノード供給路３００は、アノード供給部３０から燃料電池２０のアノード導入口２３０に燃料ガスを流す流路を形成する。アノード供給路３００には、アノード調湿器３０２が設けられている。アノード供給路３００のアノード調湿器３０２は、燃料ガスの加湿および除湿が可能であり、制御部９０の指示に基づいて、燃料電池２０に供給される燃料ガスの湿度を調節する。
【００３０】
燃料電池システム１０のアノード排気路４００は、燃料電池２０のアノード排気口２４０から燃料電池２０の外部へとアノードオフガスを流す流路を形成する。アノード排気路４００には、アノード排気バルブ４０８が設けられている。アノード排気路４００のアノード排気バルブ４０８は、弁による流路の開閉が可能であり、制御部９０の指示に基づいて、燃料電池２０から排気されるアノードオフガスの放出量を調節する。
【００３１】
燃料電池システム１０のアノード循環路７００は、アノード排気路４００からアノード供給路３００へとアノードオフガスを流す流路を形成する。アノード循環路７００には、アノード排気路４００側から順に、循環入口バルブ７０２と、循環ポンプ７０４と、循環出口バルブ７０８とが設けられている。アノード循環路７００の循環入口バルブ７０２および循環出口バルブ７０８は、弁による流路の開閉が可能であり、制御部９０の指示に基づいて、アノード排気路４００からアノード供給路３００へ循環するアノードオフガスの流量を調節する。アノード循環路７００の循環ポンプ７０４は、制御部９０の指示に基づいて、アノード循環路７００におけるアノードオフガスをアノード排気路４００からアノード供給路３００へと送出する。
【００３２】
燃料電池システム１０のカソード供給路５００は、カソード供給部５０から燃料電池２０のカソード導入口２５０に酸化ガスを流す流路を形成する。カソード供給路５００には、カソード調湿器５０２が設けられている。カソード供給路５００のカソード調湿器５０２は、酸化ガスの加湿および除湿が可能であり、制御部９０の指示に基づいて、燃料電池２０に供給される酸化ガスの湿度を調節する。
【００３３】
燃料電池システム１０のカソード排気路６００は、燃料電池２０のカソード排気口２６０から燃料電池２０の外部へとカソードオフガスを流す流路を形成する。カソード排気路６００には、カソード排気バルブ６０８が設けられている。カソード排気路６００のカソード排気バルブ６０８は、弁による流路の開閉が可能であり、制御部９０の指示に基づいて、燃料電池２０から排気されるカソードオフガスの放出量を調節する。
【００３４】
燃料電池システム１０の制御部９０は、燃料電池システム１０の各部を制御する。制御部９０は、セントラルプロセッシングユニット（Central Processing Unit、以下、ＣＰＵという）９１０と、メモリ９２０と、インタフェース９３０と、残水低減部９１１と、抵抗検知部９１４と、禁止部９１６とを備える。制御部９０のＣＰＵ９１０は、メモリ９２０に記憶されているプログラムやデータに基づいて種々の処理を実行する。制御部９０のインタフェース９３０は、ＣＰＵ９１０と燃料電池システム１０の各部との間を電気的に接続する。本実施例では、残水低減部９１１，抵抗検知部９１４，禁止部９１６の各機能は、ＣＰＵ９１０がソフトウェアに基づいて動作することによって実現されるが、他の実施形態として、制御部９０の電子回路がその物理的な回路構成に基づいて動作することによって実現されても良い。
【００３５】
制御部９０のメモリ９２０は、ＣＰＵ９１０で取り扱われるプログラムやデータを記憶し、ＣＰＵ９１０で取り扱われるデータの一つとして禁止フラグＦｐを不揮発的に記憶する。禁止フラグＦｐのデータ値は、制御部９０への電源供給が停止した状態であってもメモリ９２０に保持される。禁止フラグＦｐは、「１（オン）」および「０（オフ）」のいずれかを示す二値データであり、燃料電池システム１０の工場出荷時に「０」に設定され、燃料電池２０における触媒層剥離の進行に応じて「１」に設定される。禁止フラグＦｐの取り扱いについての詳細は後述する。
【００３６】
制御部９０の残水低減部９１１は、燃料電池２０の運転停止時における燃料電池２０の内部（すなわち、電解質膜２１４５，カソード触媒層２１４６，カソード拡散層２１４８，アノード拡散層２１４２，アノード触媒層２１４４を含む単セル２１０の内部）に残留する残水量を減少させる残水低減処理を実施する。残水低減部９１１は、低湿ガス供給部９１２と、掃気ガス供給部９１３とを含む。残水低減部９１１の低湿ガス供給部９１２は、残水低減処理の一つとして、燃料電池２０に供給される反応ガスの湿度を低下させることによって燃料電池２０の内部に残留する残水量を減少させる低湿ガス供給処理を実施する。残水低減部９１１の掃気ガス供給部９１３は、残水低減処理の一つとして、燃料電池２０の運転を停止する際に燃料電池２０を掃気することによって燃料電池２０の内部に残留する残水量を減少させる掃気ガス供給処理を実施する。残水低減部９１１による残水低減処理についての詳細は後述する。
【００３７】
制御部９０の抵抗検知部９１４は、交流インピーダンスセンサ８２２，８２６からの信号に基づいて、燃料電池２０におけるアノード触媒層２１４４およびカソード触媒層２１４６の電気抵抗値をインピーダンス法により検知する。制御部９０の禁止部９１６は、抵抗検知部９１４によって検知された電気抵抗値が基準閾値を超えた以降、残水低減部９１１による残水低減処理の実施を禁止する。
【００３８】
Ａ−２．燃料電池システム１０の動作：
図３および図４は、燃料電池システム１０の制御部９０が実行する燃料電池管理処理（ステップＳ１０）を示すフローチャートである。燃料電池管理処理（ステップＳ１０）は、燃料電池２０による発電および燃料電池２０の保守を管理する処理である。本実施例では、燃料電池２０を起動するユーザからの指示が起動スイッチ（図示しない）によって受け付けられると、制御部９０は、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）を開始する。本実施例では、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）は、制御部９０のＣＰＵ９１０がソフトウェアに基づいて動作することによって実現されるが、他の実施形態として、制御部９０が備える電子回路がその物理的な回路構成に基づいて動作することによって実現されても良い。
【００３９】
燃料電池システム１０の制御部９０は、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）を開始すると、燃料電池２０の運転を停止するまで（ステップＳ１４０：「ＹＥＳ」）、通常運転処理（ステップＳ１１０）を実行する。通常運転処理（ステップＳ１１０）では、制御部９０が燃料電池システム１０の各部を制御することによって、要求された発電量が得られるように、燃料電池２０に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの供給量および湿度が調節される。
【００４０】
通常運転処理（ステップＳ１１０）を実行中に、制御部９０のメモリ９２０に記憶されている禁止フラグＦｐの値が「０（オフ）」の場合には（ステップＳ１２０：「ＮＯ」）、制御部９０は、残水低減部９１１の低湿ガス供給部９１２として動作することによって低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）を実行する。一方、禁止フラグＦｐの値が「１（オン）」の場合には（ステップＳ１２０：「ＹＥＳ」）、制御部９０は、低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）を実行することなく、通常運転処理（ステップＳ１１０）を実行する。
【００４１】
低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）では、制御部９０は、温度センサ８２８からの信号に基づいて燃料電池２０の温度を検知することによって、燃料電池２０の運転停止時に燃料電池２０の内部に残留する残留水が凍結する可能性がある環境であるか否かを判断する。燃料電池２０の残留水が凍結する可能性がある場合、制御部９０は、交流インピーダンスセンサ８２２，８２６および水分量センサ８２４からの信号に基づいて電解質膜２１４５における残留水の残水量を検知する。その後、制御部９０は、電解質膜２１４５の残水量に応じて反応ガスの湿度が低下するようにアノード調湿器３０２およびカソード調湿器５０２の少なくとも一方を制御することによって、電解質膜２１４５に残留する残水量を減少させる。燃料電池２０の残留水が凍結する可能性がない場合、制御部９０は、反応ガスの湿度を低下させることなく、発電に好適な湿度で反応ガスを燃料電池２０に供給する。
【００４２】
通常運転処理（ステップＳ１１０）により燃料電池２０を継続運転した後に燃料電池２０の運転を停止する場合（ステップＳ１４０：「ＹＥＳ」）、制御部９０は、温度センサ８２８からの信号に基づいて燃料電池２０の温度を検知することによって（ステップＳ２１０）、燃料電池２０の運転停止時に燃料電池２０の内部に残留する残留水が凍結する可能性がある環境であるか否かを判断する（ステップＳ２２０）。燃料電池２０の残留水が凍結する可能性がない場合（ステップＳ２２０：「ＮＯ」）、制御部９０は、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）を終了して、燃料電池２０の運転を停止する。
【００４３】
燃料電池２０の残留水が凍結する可能性がある場合（ステップＳ２２０：「ＹＥＳ」）、制御部９０は、残水低減部９１１の掃気ガス供給部９１３として動作することによって掃気ガス供給処理（ステップＳ２４０）を実行する。一方、禁止フラグＦｐの値が「１（オン）」の場合には（ステップＳ１２０：「ＹＥＳ」）、制御部９０は、低湿ガス供給処理（ステップＳ２４０）を実行することなく、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）を終了して、燃料電池２０の運転を停止する。
【００４４】
低湿ガス供給処理（ステップＳ２４０）では、制御部９０は、交流インピーダンスセンサ８２２，８２６および水分量センサ８２４からの信号に基づいて電解質膜２１４５における残留水の残水量を検知する。制御部９０は、電解質膜２１４５における残水量が基準値以下に低下するまで、燃料電池２０の内部を掃気（パージ）する。本実施例では、カソード調湿器５０２で除湿し乾燥させた酸化ガス（空気）を燃料電池２０に継続的に供給することによって、制御部９０は、燃料電池２０の内部を掃気する。他の実施形態において、アノード調湿器３０２で除湿し乾燥させた燃料ガスを、アノード循環路７００を通じて燃料電池２０を循環させることによって、燃料電池２０の内部を掃気しても良い。
【００４５】
低湿ガス供給処理（ステップＳ２４０）の後、制御部９０は、抵抗検知部９１４として動作することによって抵抗検知処理（ステップＳ２６０）を実行する。抵抗検知処理（ステップＳ２６０）では、制御部９０は、交流インピーダンスセンサ８２２，８２６からの信号に基づいて、燃料電池２０におけるアノード触媒層２１４４およびカソード触媒層２１４６の電気抵抗値である抵抗値Ｒｃを検知する。
【００４６】
抵抗検知処理（ステップＳ２６０）の後、制御部９０は、禁止部９１６として動作することによって禁止処理（ステップＳ２７０）を実行する。禁止処理（ステップＳ２７０）では、制御部９０は、抵抗検知処理（ステップＳ２６０）で検知された抵抗値Ｒｃが閾値Ｔｈ以上である場合（ステップＳ２７２：「ＹＥＳ」）、制御部９０のメモリ９２０に記憶されている禁止フラグＦｐを「０（オフ）」から「１（オン）」に変更する（ステップＳ２７４）。その後、制御部９０は、制御部９０のメモリ９２０に記憶されている禁止フラグＦｐが「１（オン）」に設定された状態で、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）を終了して、燃料電池２０の運転を停止する。これによって、抵抗値Ｒｃが閾値Ｔｈを超えた以降、残水低減処理である低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）および掃気ガス供給処理（ステップＳ２４０）の実施が禁止される。一方、抵抗検知処理（ステップＳ２６０）で検知された抵抗値Ｒｃが閾値Ｔｈより小さい場合（ステップＳ２７２：「ＮＯ」）、制御部９０は、制御部９０のメモリ９２０に記憶されている禁止フラグＦｐが「０（オフ）」に設定された状態で、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）を終了して、燃料電池２０の運転を停止する。
【００４７】
Ａ−３．抵抗値Ｒｃの特性：
図５は、燃料電池２０における抵抗値Ｒｃの特性を示す説明図である。図５の評価実験では、燃料電池２０の単セル２１０を用意し、燃料ガスおよび酸化ガスを、湿度８０パーセント、流量０．５リットル毎分で１０分間供給して、電流密度０．８アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ2）で発電を行った。その後、単セル２１０を−２０℃に冷却して１時間放置してから、単セル２１０を８０℃に加熱した。この発電‐冷却‐加熱から成る冷熱サイクルを９０回繰り返し行い、セル電圧および触媒層の抵抗値Ｒｃを計測して、図５の結果を得た。
【００４８】
図５では、横軸に冷熱サイクルの回数をとり、左縦軸にセル電圧をとり、右縦軸に触媒層の抵抗値Ｒｃをとって、単セル２１０のセル電圧および抵抗値Ｒｃが示されている。図５のセル電圧は、冷熱サイクルの回数が増えるに連れ約０．６２Ａ／ｃｍ2から徐々に低下した後、冷熱サイクルが５０回となる辺りから約０．５９Ａ／ｃｍ2で安定して推移する。図５の抵抗値Ｒｃは、冷熱サイクルの回数が増えるに連れ約０．０７ｍΩ・ｃｍ2から徐々に増加した後、冷熱サイクルが５０回となる辺りから約０．０９ｍΩ・ｃｍ2で安定して推移する。
【００４９】
図５の結果から、アノード触媒層２１４４およびカソード触媒層２１４６が電解質膜２１４５から剥離する触媒層剥離の進行は、抵抗値Ｒｃが約０．０９ｍΩ・ｃｍ2となる状態で飽和し、その時点で、セル電圧の低下すなわち発電性能の低下も停滞すると考えられる。本実施例では、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）の禁止処理（ステップＳ２７０）において抵抗値Ｒｃと対比される閾値Ｔｈは、図５の結果から０．０９ｍΩ・ｃｍ2に設定されている。閾値Ｔｈの値は、評価実験の結果に基づいて、燃料電池２０の構造，運転仕様，運転環境に応じた好適な値に適宜設定することができる。
【００５０】
Ａ−４．効果：
以上説明した燃料電池システム１０によれば、触媒層剥離の進行が飽和した状態を抵抗値Ｒｃに基づいて判断することによって、触媒層剥離の要因となる燃料電池２０の内部の残水量を減少させる必要が無くなった場合に、残水低減処理である低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）および掃気ガス供給処理（ステップＳ２４０）の実施を省くことができる。その結果、触媒層剥離の進行を遅らせながら、触媒層剥離の進行が飽和した以降、燃料電池システム１０におけるエネルギ効率を向上させることができる。
【００５１】
また、残水低減処理である低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）および掃気ガス供給処理（ステップＳ２４０）が実施された状態で抵抗値Ｒｃを検知することから（ステップＳ２６０）、電解質膜２１４５の残水量が抵抗値Ｒｃに与える影響を抑制することができるため、抵抗値Ｒｃに基づく触媒層剥離の判断を容易に行うことができる。
【００５２】
また、触媒層剥離の進行が飽和した以降、燃料電池２０の停止後に掃気ガス供給処理（ステップＳ２４０）が省かれることによって、燃料電池システム１０の運転終了に要する時間を短縮することができる。また、触媒層剥離の進行が飽和した以降、低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）が省かれることによって、発電に好適な湿度で反応ガスを燃料電池２０に供給することができるため、燃料電池２０の発電効率を向上させることができる。
【００５３】
Ｂ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態において、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。
【００５４】
また、本実施例では、触媒層剥離の進行が飽和した以降、低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）および掃気ガス供給処理（ステップＳ２４０）の両処理の実施を禁止するとしたが、他の実施形態において、例えば、燃料電池管理処理（ステップＳ１０）における禁止フラグを判定する二つの処理（ステップＳ１２０，ステップＳ２３０）のうちの一方を削除することによって、低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）および掃気ガス供給処理（ステップＳ２４０）の一方の実施を禁止するとしても良い。また、本実施例では、低湿ガス供給処理（ステップＳ１３０）および掃気ガス供給処理（ステップＳ２４０）の実施を同じタイミングで禁止するとしたが、他の実施形態において、各処理の実施を禁止する異なる閾値をそれぞれ設定することによって、各処理の実施を禁止するタイミングをずらしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池における単セルの詳細構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池システムの制御部が実行する燃料電池管理処理を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池システムの制御部が実行する燃料電池管理処理を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池における抵抗値の特性を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
３０…アノード供給部
５０…カソード供給部
９０…制御部
２１０…単セル
２１４…ＭＥＡ
２１２…アノードセパレータ
２１６…カソードセパレータ
２３０…アノード導入口
２４０…アノード排気口
２５０…カソード導入口
２６０…カソード排気口
３００…アノード供給路
３０２…アノード調湿器
４００…アノード排気路
４０８…アノード排気バルブ
５００…カソード供給路
５０２…カソード調湿器
６００…カソード排気路
６０８…カソード排気バルブ
７００…アノード循環路
７０２…循環入口バルブ
７０４…循環ポンプ
７０８…循環出口バルブ
８２２…交流インピーダンスセンサ
８２４…水分量センサ
８２６…交流インピーダンスセンサ
８２８…温度センサ
９１０…ＣＰＵ
９１１…残水低減部
９１２…低湿ガス供給部
９１３…掃気ガス供給部
９１４…抵抗検知部
９１６…禁止部
９２０…メモリ
９３０…インタフェース
２１２５…アノード流路
２１４２…アノード拡散層
２１４４…アノード触媒層
２１４５…電解質膜
２１４６…カソード触媒層
２１４８…カソード拡散層
２１６５…カソード流路
Ｒｃ…抵抗値
Ｔｈ…閾値
Ｆｐ…禁止フラグ
【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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