(57)【要約】【課題】電解質膜の歪みに着目して、燃料電池の発電性能維持と耐久性向上を図る新たな手法を提供する。【解決手段】燃料電池１００を構成する燃料電池セル１１０における電解質膜１１１の歪みを、燃料電池１００の発電運転の継続状況下でセル特性計測器５１０にて検知する。その一方、膜損傷を抑制可能な歪み許容範囲を定める許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬとを燃料電池１００の運転継続状況と対応付けておき、検知した歪みが歪み許容範囲を超えると、検知した歪みが歪み許容範囲に収まる側に、燃料電池１００の発電運転を制限する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を用いた燃料電池を備える燃料電池システムであって、
外部の要求負荷に基づいて前記燃料電池を運転制御する運転制御部と、
電解質膜の歪みに基づく損傷を抑制可能な歪み許容範囲を、前記燃料電池の運転の継続状況に対応付けて把握する歪み把握部と、
検知された前記電解質膜の歪みである検知歪みが前記歪み許容範囲を超えると、歪みの是正を図る是正指令を出力する出力部とを備える
燃料電池システム。
【請求項２】
前記歪み把握部は、前記歪み許容範囲を前記燃料電池の運転継続が続くほど広く設定して把握する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記運転制御部は、前記出力部からの前記是正指令により、前記燃料電池の運転を前記検知歪みが前記歪み許容範囲に収まる側に制限する請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記運転制御部は、前記要求負荷の増大状況下では、前記要求負荷に基づいた運転制御を前記是正指令より優先する請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記把握部は、前記要求負荷に基づいた運転制御を優先する制御が前記運転制御部により行われると、前記歪み許容範囲を狭小側に変更する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
電力の充放電が可能な２次電池を有し、該２次電池の電力により前記燃料電池の発電電力を補完して、前記要求負荷を充足する請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体をガスの拡散透過性を有するガス拡散層にて挟持した電池セルを複数備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を構成する電池セルは、膜電極接合体における電解質膜の両膜面の電極触媒層に、ガス拡散層を経て燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、これらガスの電気化学反応を経て発電する。よって、発電性能の維持には、ガス拡散層から電極触媒層へのガス拡散の確保が不可欠である。その一方、電解質膜は、電池セルの発電運転の過程において膨潤と収縮を繰り返すので、この膨潤と収縮の繰り返しに対する耐性の向上、即ち耐久性の向上が求められる。こうしたことから、発電性能維持と耐久性向上のため、種々の手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガス拡散層は、ガス透過性の確保の上から必然的に微細な細孔を有する多孔質とされていることから、電極触媒層の側のガス拡散層の界面には、凹凸が存在する。この場合、電極触媒層の側のガス拡散層を、より微細な細孔を有する多孔質層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer）とした際には、このＭＰＬが界面となり、当該界面にあっても、上記のように凹凸が存在する。こうした凹凸の状況は、上記の特許文献のように電極触媒層とガス拡散層との接着を図る際の接着性の良否に大きく関係する。その一方、ガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロス等の基材を用いて形成されることから、ガス拡散層の界面全域において、凹凸状況を均一化することは難しい。このため、上記の特許文献のように電極触媒層とガス拡散層とを補強層により接着したとしても、界面において局所的に接着不良となることが危惧される。この場合、電池セルの締結力を大きくすれば、接着不良箇所の接着を図ることができるものの、大きな締結力により、ガス拡散層の他の部位の塑性変形を来し、細孔の閉塞、延いてはガス透過性の低下を招きやすくなる。
【０００５】
また、ガス拡散層界面の凹凸における凹部を埋めるよう補強層における接着材料を増やすことで接着性を高めることができるものの、増やした接着材料が局部的に細孔を塞いでガス透過性の低下を招くことも危惧される。つまり、補強層による電極触媒層とガス拡散層の接着は、発電性能維持と耐久性向上を図るための一手法であるとはいえ、未だ改善の余地があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、電解質膜を用いた燃料電池を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、外部の要求負荷に基づいて前記燃料電池を運転制御する運転制御部と、前記電解質膜の歪みを、前記燃料電池の運転の継続状況において検知する歪み検知部と、電解質膜の歪みに基づく損傷を抑制可能な歪み許容範囲を、前記燃料電池の運転の継続状況に対応付けて把握する歪み把握部と、検知された前記電解質膜の歪みである検知歪みが前記歪み許容範囲を超えると、歪みの是正を図る是正指令を出力する出力部とを備える。この形態の燃料電池システムでは、外部の要求負荷に基づいて燃料電池を運転制御する上で、燃料電池の運転が継続されている状況における電解質膜の挙動に着目した。つまり、燃料電池の運転継続状況下では、電解質膜の膨潤と収縮が繰り返し起きて電解質膜は歪むので、この形態の燃料電池システムでは、この電解質膜の歪みを燃料電池の運転の継続状況において検知し、検知した歪み（検知歪み）が歪み許容範囲を超えると、歪みの是正を図る是正指令を出力する。このため、例えば、検知歪みが歪み許容範囲に収まる側に、燃料電池の運転を制限することが可能となる。よって、燃料電池をその有する電解質膜の損傷を抑制しつつ運転制御することができるので、膜の損傷に基づく発電性能低下の抑制、延いては発電性能の維持或いは向上を図りつつ、耐久性の向上も可能となる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記歪み把握部を、前記歪み許容範囲を前記燃料電池の運転継続が続くほど広く設定して把握するようにできる。こうすれば、次の利点がある。電解質膜の膨潤と収縮の繰り返しに基づいた電極触媒層とガス拡散層の密着は、燃料電池の運転継続が続くほど高まることから、ガス拡散層による歪みの抑制効果が高まって、電解質膜の歪みに対する耐性（耐久性）は高まる。その一方、燃料電池の運転が継続するほど、歪み許容範囲は広くなることから、検知歪みが歪み許容範囲を超える頻度が低下するので、燃料電池の運転を検知歪みが歪み許容範囲に収まるよう制限する必要性も低くなる。この結果、上記形態の燃料電池システムによれば、発電性能の維持或いは向上を図った上での、耐久性の向上の実効性を高めることができる。
【０００９】
（３）上記のいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、前記運転制御部を、前記制限部からの前記制限指令により、前記燃料電池の運転を前記検知歪みが前記歪み許容範囲に収まる側に制限するようにできる。こうすれば、歪みに伴う膜損傷の抑制の実効性がより高まるので、発電性能の維持或いは向上を図りつつ、耐久性を向上できる。
【００１０】
（４）上記のいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、前記運転制御部を、前記要求負荷の増大状況下では、前記要求負荷に基づいた運転制御を前記是正指令より優先するようにできる。こうすれば、要求負荷が増大する状況においては、発電の制限を課さないようにできるので、増大する要求負荷に応えることができる。そして、要求負荷の増大が解消されたりすれば、歪みの是正指令による制限を燃料電池運転に課すことも可能となるので、歪みに伴う膜損傷の抑制を図ることができる。
【００１１】
（５）上記の形態の燃料電池システムにおいて、前記把握部を、前記要求負荷に基づいた運転制御を優先する制御が前記運転制御部により行われると、前記歪み許容範囲を狭小側に変更するようにできる。こうすれば、要求負荷に基づいた運転制御を優先した以降においては、歪み許容範囲の狭小により、検知歪みが歪み許容範囲を超える頻度が増すので、燃料電池の運転を検知歪みが歪み許容範囲に収まるよう制限する機会が増える。よって、要求負荷に基づいた運転制御を優先したことで仮に電解質膜の歪みが増したとしても、上記の制限機会の増加により歪みに伴う膜損傷の抑制が可能となり、耐久性が高まる。
【００１２】
（６）上記のいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、電力の充放電が可能な２次電池を有し、該２次電池の電力により前記燃料電池の発電電力を補完して、前記要求負荷を充足するようにできる。こうすれば、制限指令による制限を燃料電池運転に課したとしても、２次電池の電力補完により、要求負荷に応えることができる。
【００１３】
本発明は、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池の運転方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１０００の構成例を示すブロック図を燃料電池セル１１０の概略拡大図と共に示す説明図である。
【図２】燃料電池システム１０００の搭載車両の走行時において繰り返される燃料電池１００の発電運転制御を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池セル１１０の発電運転を継続する過程におけるカソード１１３とカソード側ガス拡散層１１５との接着推移を示す説明図である。
【図４】セル性状に基づいた運転制限制御を示すフローチャートである。
【図５】電解質膜１１１の膜抵抗値と膜含水量との対応関係を示す第１マップの様子を示す説明図である。
【図６】電解質膜１１１の膜歪みと膜含水量との対応関係を示す第２マップの様子を示す説明図である。
【図７】許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬとを燃料電池セルの運転継続状況に対応付けた第３マップの様子を示す説明図である。
【図８】第２実施形態の燃料電池システム１０００にて用いる第３マップにおける許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬの推移を燃料電池セルの運転継続状況に対応付けて示す説明図である。
【図９】第３実施形態の燃料電池システム１０００でなされる燃料電池１００の発電運転制御を示すフローチャートである。
【図１０】第３実施形態の燃料電池システム１０００でなされるセル性状に基づいた運転制限制御を示すフローチャートである。
【図１１】第３実施形態の燃料電池システム１０００にて用いる第３マップにおける許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬの推移を燃料電池セルの運転継続状況に対応付けて示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１０００の構成例を示すブロック図を燃料電池セル１１０の概略拡大図と共に示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、車両に搭載される燃料電池システムを例に示している。
【００１６】
燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、制御部２００と、燃料ガス供給部３１０と、酸化剤ガス供給部３２０と、冷媒供給部３３０と、背圧制御部４５０と、セル特性計測部５００と、電力制御部６００とを備える。
【００１７】
燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池であり、発電体である燃料電池セル１１０を複数積層されたスタック構造を有する。燃料電池セル１１０は、図１の拡大模式図に示すように、電解質膜１１１の両膜面にアノード１１２とカソード１１３の両電極触媒層を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える。また、燃料電池セル１１０は、電極形成済みの電解質膜１１１を両側から挟持するアノード側ガス拡散層１１４とカソード側ガス拡散層１１５とを備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。この両ガス拡散層の外側には、それぞれガスセパレーターが位置し、このガスセパレーターは、該当するガス拡散層に対して水素を含有する燃料ガス、酸素を含有する酸化剤ガス（本実施例では、空気）を供給すると共に、セルからの集電の機能も果たす。
【００１８】
電解質膜１１１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。アノード１１２およびカソード１１３の両電極触媒層は、触媒（例えば白金、或いは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させた上で、触媒担持済み担体を、電解質膜１１１と同質でプロトン導電性を有するアイオノマーで保持して形成されている。アノード側ガス拡散層１１４とカソード側ガス拡散層１１５は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。この場合、両ガス拡散層の電極触媒層側の界面に、より微細な細孔を有する多孔質層（ＭＰＬ）を形成することもできる。そして、この燃料電池セル１１０は、アノード１１２に水素を、カソード１１３に酸素含有の空気の供給を受けて発電する。燃料電池セル１１０は、アノード１１２およびカソード１１３においてセル内のガス流路を、上記のアノード側ガス拡散層１１４やカソード側ガス拡散層１１５の細孔、或いはこれらガス拡散層界面の導電性のＭＰＬにて構成する。
【００１９】
制御部２００は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭを備えマイクロコンピュータとして構成され、図示しないアクセルの踏込量に応じた負荷に見合う電力を発生すべく、そのアクセル踏込量や後述の圧力センサー３６１等の各種センサーから入力したセンサー信号に基づいて、後述のバルブ等の各種制御機器を駆動制御する。制御部２００は、こうした機器制御を後述の手順に従って実行することで、燃料ガス供給部３１０からの水素ガス供給や、酸化剤ガス供給部３２０からの空気供給、および冷媒供給部３３０による冷媒循環等を行い、負荷に応じた燃料電池１００の発電運転を後述の二次電池６１０の放電電力を勘案しつつ制御する。この他、制御部２００は、セル特性計測器５１０にて測定した現状のセル特性をメモリー２１０の記憶内容と照合しつつ、そのセル特性（膜抵抗）に基づいた制限制御も行う。
【００２０】
燃料ガス供給部３１０は、水素の供給源として、例えば、水素タンクや、原料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器を備えるよう構成され、下流側に水素ガスを圧送する。燃料ガス供給部３１０から燃料電池１００のアノード側には、第１水素配管３１１と第２水素配管３１２とで構成される流路と、第１水素配管３１１から分岐して第２水素配管３１２に合流するバイパス配管３１４の流路のいずれかを経て、水素ガスが供給される。
【００２１】
第１水素配管３１１には、切換バルブ３１５が配設され、この切換バルブ３１５より下流の第２水素配管３１２にはヒーター３１６が、バイパス配管３１４には加湿器３１７が配設されている。ヒーター３１６は、通過するガスを加熱して乾燥させて乾燥後のガスを下流に通過させ、その際のガス温度については、これを、燃料電池セル１１０の電解質膜１１１の乾燥を不用意に招かない温度、例えば、約２０〜３０℃程度の常温としたり、制御部２００の制御を受けてガス温度を常温より高めたりする。加湿器３１７は、通過するガスを加湿するよう構成され、その加湿程度は制御部２００からの制御信号により調整可能である。
【００２２】
切換バルブ３１５は、制御部２００からの制御信号を受けて駆動し、ヒーター３１６をバイパスしたバイパス配管３１４へのガスの分岐流入と、第２水素配管３１２へのガス流入とを切り換える。このため、切換バルブ３１５の制御状況によって、燃料電池１００のアノード側には、ヒーター３１６にて乾燥された水素ガス或いは加湿器３１７にて加湿された水素ガスのいずれかが供給可能となる。
【００２３】
この他、第１水素配管３１１には、水素の供給量・供給圧力を制御するためのレギュレータや逆止弁、インジェクタが設けられているが、その図示および説明は省略する。第２水素配管３１２には、圧力センサー３６１が設けられており、その計測結果（アノード入口側圧力）は制御部２００へと送信される。
【００２４】
酸化剤ガス供給部３２０は、酸素の供給源として、例えば、高圧空気を出力するエアコンプレッサを備える構成、或いは高圧酸素を貯蔵するタンクを備える構成とされ、下流側に空気を圧送する。この酸化剤ガス供給部３２０にあっても、既述した燃料ガス供給部３１０と同様の流路構成を備え、燃料電池１００のカソード側に到る第１酸素配管３２１と第２酸素配管３２２とで構成される流路と、第１酸素配管３２１から分岐して第２酸素配管３２２に合流するバイパス配管３２４の流路とを有する。
【００２５】
第１酸素配管３２１には、切換バルブ３２５が配設され、切換バルブ３２５より下流の第２酸素配管３２２には通過するガスを加熱して乾燥するヒーター３２６が、バイパス配管３２４には通過するガスを加湿する加湿器３２７が配設されている。この場合、ヒーター３２６は、既述したヒーター３１６と同様の構成であり、加湿器３２７にあっても加湿器３１７と同様である。
【００２６】
切換バルブ３２５は、制御部２００からの制御信号を受けて駆動し、ヒーター３２６をバイパスしたバイパス配管３２４へのガスの分岐流入と、第２酸素配管３２２へのガス流入とを切り換える。このため、切換バルブ３２５の制御状況によって、燃料電池１００のカソード側には、ヒーター３２６にて乾燥された空気或いは加湿器３２７にて加湿された空気のいずれかが供給可能となる。
【００２７】
この他、第１酸素配管３２１には、燃料電池１００への酸素含有の空気の供給を制御するための開閉バルブが設けられているが、その図示および説明は省略する。第２酸素配管３２２には、圧力センサー３６２が設けられており、その計測結果（カソード入口側圧力）を制御部２００へと送信される。
【００２８】
燃料電池１００のアノードおよびカソードの排気側では、図示しない排出用マニホールドにアノード排ガス配管３１８とカソード排ガス配管３２８とが接続される。アノード、カソードの両排ガス配管は、各燃料電池セル１１０を通過したガス、詳しくはセル内流路を通過したガスを流路途中の背圧制御部４５０を経て外部に排出する。背圧制御部４５０は、アノード排ガス配管３１８とカソード排ガス配管３２８の各排ガス配管ごとの圧力調整バルブ３１９、３２９や背圧計測のための図示しない圧力センサー等を備え、上記排ガス配管ごとにその背圧を調整する。
【００２９】
冷媒供給部３３０は、冷媒供給用配管３３１と冷媒排出用配管３３２とを有し、両配管を燃料電池１００の図示しない冷媒マニホールドに接続させて、燃料電池１００を含む冷媒循環系を構成する。冷媒供給部３３０は、冷媒と外気とを熱交換させるための図示しない熱交換器と、燃料電池１００を含む冷媒循環系において冷媒を循環させるための図示しない駆動ポンプとを備える。
【００３０】
冷媒供給用配管３３１および冷媒排出用配管３３２には、冷媒の温度を計測するイン側温度センサー３６５とアウト側温度センサー３６６が設けられている。制御部２００は、２つのセンサー計測値の差から燃料電池１００の運転温度を計測する。そして、制御部２００は、冷媒供給部３３０における駆動ポンプの回転数を制御することにより、燃料電池１００への冷媒循環量を制御し、燃料電池１００の温度を制御する。
【００３１】
セル特性計測部５００は、燃料電池セル１１０の後述のセル特性を測定するセル特性計測器５１０と、燃料電池１００の出力電圧を測定する電圧センサー５２０および出力電流を測定する電流センサー５３０と、を備えている。
【００３２】
セル特性計測器５１０は、燃料電池セルごとのセル特性を測定するものであり、電流遮断法や交流インピーダンス法を利用して、それぞれの燃料電池セル１１０のカソード側の触媒電極における水素イオン（プロトン）移動抵抗や直流抵抗を、膜抵抗として測定する。この測定値は、各燃料電池セルが有する電解質膜１１１の性状が反映したセル特性であり、セル特性計測器５１０は、その測定結果を制御部２００に出力する。なお、セル特性計測器５１０による上記の膜抵抗測定は、燃料電池セル１１０のそれぞれについて行うことができるほか、一つもしくは複数の燃料電池セル１１０について行うようにできる。例えば、ガスによる加湿や乾燥の影響を受け易いガス流入側の燃料電池セル１１０についての測定を行い、その測定結果を各電池セル群に含まれる燃料電池セル１１０に当てはめることもできる。或いは、スタック中央に位置する複数の電池セル群に含まれるいくつかの燃料電池セル１１０と、スタック両端に位置する複数の電池セル群に含まれるいくつかの燃料電池セル１１０についての測定を行い、その測定結果を各電池セル群に含まれる燃料電池セル１１０に当てはめることもできる。この他、セル特性計測器５１０の測定対処となる燃料電池セル１１０をガス入口側から順次変更しつつ、セルごとに測定するようにすることもできる。こうすれば、セル特性計測器５１０を燃料電池セル１１０ごとに用意する必要が無く、共通のセル特性計測器５１０にて複数の燃料電池セル１１０についての膜抵抗を測定できる。
【００３３】
電力制御部６００は、二次電池制御部６２０、モーター制御部６４０、図示しない各種の補機制御部等を備える。二次電池制御部６２０は、制御部２００の制御を受けつつ、二次電池６１０の充放電を制御する。モーター制御部６４０は、燃料電池１００或いは二次電池６１０からの電力のモーター６３０への供給を、制御部２００の制御を受けつつ、制御する。このモーター制御部６４０は、例えば、モーター６３０が三相交流モーターの場合には、直流を三相交流に変換する三相インバータで構成される。なお、モーター６３０は、燃料電池システム１０００が搭載される車両の主動力源を構成する。
【００３４】
次に、本実施例の燃料電池システム１０００の制御部２００が行う各種制御について説明する。図２は燃料電池システム１０００の搭載車両の走行時において繰り返される燃料電池１００の発電運転制御を示すフローチャートである。
【００３５】
図２の発電運転制御では、まず、制御部２００は、図示しないアクセルの踏込量に基づいて、要求負荷を読み込み（ステップＳ１００）、その読み込んだ要求負荷に対応するそれぞれの燃料電池セル１１０の出力（セル電圧Ｓｖ）を算出する（ステップＳ１１０）。本実施形態の燃料電池システム１０００は、モーター６３０の駆動回転を電池出力と二次電池６１０の出力とで賄うことから、制御部２００は、二次電池６１０の蓄電電力量と放出電力量とを勘案して、ステップＳ１１０にて、それぞれの燃料電池セル１１０のセル電圧Ｓｖを算出する。なお、この際には、燃料電池セル１１０の出力特性を定めるいわゆる電流・電圧特性線図（Ｉ−Ｖ線図）が用いられるが、本発明の要旨と直接関係しないので、その説明は省略する。
【００３６】
制御部２００は、セル電圧Ｓｖの算出に続き、後述の運転制限制御（図４）にて燃料電池セル１１０の出力制限がなされているかを判定する（ステップＳ１２０）。この判定は、運転制限制御にてセットされるフラグの状態に基づいて行うようにすることが簡便である。ここで、出力制限なしと否定判定すれば、制御部２００は、ステップＳ１１０で算出したセル電圧Ｓｖが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１１０を発電運転制御する（ステップＳ１３０）。
【００３７】
一方、ステップＳ１２０にて、出力制限があると肯定判定すれば、制御部２００は、ステップＳ１１０で算出したセル電圧Ｓｖを、後述の運転制限制御にて定める出力制限電圧ＳＬｖに制限して、燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１１０を発電運転制御する（ステップＳ１４０）。この出力制限電圧ＳＬｖについては後述するが、セル電圧Ｓｖが出力制限電圧ＳＬｖより小さければ、そのセル電圧Ｓｖが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１１０を発電運転制御する。ところが、セル電圧Ｓｖが出力制限電圧ＳＬｖを超えていれば、そのセル電圧Ｓｖを出力制限電圧ＳＬｖに制限し、この出力制限電圧ＳＬｖが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１１０を発電運転制御する。
【００３８】
こうした出力制限を課す運転制限制御は、燃料電池１００の運転が継続されている状況における電解質膜１１１の挙動に着目したものであることから、まず、この電解質膜１１１の挙動について説明する。図３は燃料電池セル１１０の発電運転を継続する過程におけるカソード１１３とカソード側ガス拡散層１１５との接着推移を示す説明図である。この図３は、図１の拡大図に示すセル構造において、ＭＥＡからカソード側ガス拡散層１１５を剥離した場合の、カソード１１３とカソード側ガス拡散層１１５の接着率を示している。
【００３９】
既述したように、カソード側ガス拡散層１１５はカソード側界面にＭＰＬを有し、カソード側ガス拡散層１１５とＭＰＬとの接着力は、ＭＰＬとカソード１１３との接着力より小さい。これは、カソード１１３は、触媒担持済みの単体を保持するアイオノマーを含み、このアイオノマーたる樹脂成分による接着が進むのに対し、ＭＰＬは、通常、溶液塗布とその乾燥を経てカソード側ガス拡散層１１５に形成されるに過ぎないからである。このため、発電運転を継続させている燃料電池セル１１０を被測定品として用い、当該燃料電池セル１１０のＭＥＡからカソード側ガス拡散層１１５を剥離すると、ＭＥＡ表面、詳しくはカソード１１３の表面には、カソード側ガス拡散層１１５から引き剥がされたＭＰＬが付着することになる。よって、カソード側ガス拡散層１１５を剥離したカソード１１３の表面を顕微鏡観察して、表面観察像を２値化してＭＰＬが占める面積（専有面積）の比率を接着率として規定した。カソード１１３は、アイオノマーを含む都合上、２値化画像では白っぽくなり、ＭＰＬはカーボン等を含むことから、２値化画像で黒く表示される。こうした手法によることで、図３に示す接着率の推移が求められ、運転継続時間が短いうちは、図示の２値化画像のように、ほぼ全域で白く、黒色部位は少ない。このことは、ＭＰＬがカソード１１３の表面で占める占有面積が少ないことを意味し、カソード１１３とカソード側ガス拡散層１１５の接着が進んでいないことから接着率は小さい。この接着率は、運転継続時間が延びるほど増大し、図示する２値化画像では、ＭＰＬの専有面積の増大、即ち画像における黒色部位の増大として現れる。そして、接着率の収束領域では、画像のほぼ全域が黒色となって白色部位は点在するに過ぎなくなり、カソード１１３のほぼ全域に、カソード側ガス拡散層１１５から引き剥がされたＭＰＬが付着していることになる。
【００４０】
こうした接着率の推移は、次のように起きると想定される。燃料電池セル１１０の運転継続状況下では、ＭＥＡにおける電解質膜１１１の膨潤と収縮が繰り返し起き、この膨潤と収縮は、電解質膜膜面の電極触媒層であるカソード１１３を含めて起きる。よって、電解質膜１１１の膨潤と収縮の繰り返しにより、カソード１１３は、特段の接着材料を用いなくてもカソード側ガス拡散層１１５の界面、詳しくはＭＰＬの凹凸に馴染んで、カソード側ガス拡散層１１５のＭＰＬに密着し、その密着は、燃料電池セル１１０の運転が継続するほど、換言すれば、運転継続時間や積算走行距離が大きくなるほど高まる。そして、カソード１１３は、電解質膜１１１と同質のプロトン伝導性樹脂であるアイオノマーを含むので、触媒層界面のアイオノマーを介してカソード側ガス拡散層１１５と接着することになる。こうした知見に立ち、本実施形態の燃料電池システム１０００では、セル性状に基づいた運転制限制御を行う。図４はセル性状に基づいた運転制限制御を示すフローチャートである。
【００４１】
この図４に示す運転制限制御は、燃料電池システム１０００の運転状況において所定時間ごとに割込して繰り返し実行され、まず、制御部２００は、セル特性計測器５１０（図１参照）の計測値を読み込んで電解質膜１１１の膜抵抗値を演算する（ステップＳ２００）。次いで、制御部２００は、演算した膜抵抗値から電解質膜１１１の含水量の演算（ステップＳ２１０）と、電解質膜１１１の膜歪みεの演算（ステップＳ２２０）とを順次実行する。制御部２００は、メモリー２１０に電解質膜１１１の膜抵抗値と膜含水量との対応関係を示す第１マップと、電解質膜１１１の膜歪みと膜含水量との対応関係を示す第２マップとを予め記憶しているので、制御部２００は、これらマップとの照合を経て、電解質膜１１１の膜歪みεを算出する。図５は電解質膜１１１の膜抵抗値と膜含水量との対応関係を示す第１マップの様子を示す説明図、図６は電解質膜１１１の膜歪みと膜含水量との対応関係を示す第２マップの様子を示す説明図である。
【００４２】
図５のマップは、一つの燃料電池セル１１０を測定セルとして、所定の電流密度を維持して発電運転を行った場合の電解質膜１１１の膜抵抗値と膜含水量とを実験的に求めてプロットしたものである。この図５によれば、膜含水量は、膜抵抗値が低いほど増大するよう推移する。これは、膜抵抗値と電流とで発生する熱（ジュール熱）の発熱量推移からも予測され、膜抵抗が大きいほど熱量が増えて膜含水量は小さくなる。図６のマップは、測定サンプルとしての電解質膜１１１を、所定の温度環境下に置いて膜含水量を変えつつ膜の歪みを実験的に求めて、温度ごとにプロットしたものである。この図６によれば、電解質膜１１１の膜歪みεは、膜含水量が増えるほど大きくなり、歪み推移は温度の影響を受けることが判る。従って、制御部２００は、ステップＳ２２０における膜歪みεの演算に当たり、イン側温度センサー３６５やアウト側温度センサー３６６の検出温度から求めた燃料電池１００、延いては燃料電池セル１１０の温度をも考慮する。
【００４３】
こうして膜歪みεを演算すると、制御部２００は、求めた膜歪みεを許容上限歪みεＨとの比較（ステップＳ２３０）と、許容下限歪みεＬとの比較（ステップＳ２４０）とに処す。許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬとは、電解質膜１１１に起きた歪みに基づく膜損傷を抑制可能な歪み許容範囲を定めるものであり、制御部２００は、上記の上下限歪みを燃料電池１００、延いては燃料電池セル１１０の運転継続状況と対応付けた第３マップをメモリー２１０に記憶している。図７は許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬとを燃料電池セルの運転継続状況に対応付けた第３マップの様子を示す説明図である。
【００４４】
図７に示すプラス側の許容上限歪みεＨは、電解質膜１１１が水分過多に伴う膨潤により凸となるよう歪んだ場合の歪みを表す。マイナス側の許容下限歪みεＬは、電解質膜１１１が乾燥に伴う収縮を受けて縮むよう歪んだ場合の歪みを表す。つまり、電解質膜１１１に起きた歪みが許容上限歪みεＨを超えていると、電解質膜１１１は、水分過多に伴う膨潤により凸に大きく歪んだことになるので、この歪みにより損傷を起こしかねない。電解質膜１１１に起きた歪みが許容下限歪みεＬを下回ると、電解質膜１１１は、乾燥に伴う収縮により大きく縮むように歪んだことになるので、この歪みにより損傷を起こしかねない。よって、ステップＳ２３０〜２４０では、求めた膜歪みεを許容上限歪みεＨおよび許容下限歪みεＬと比較することで、電解質膜１１１の膨潤の状況と乾燥の状況を把握することが可能となる。そして、本実施形態では、上記の上下限歪みを運転継続時間に亘ってそれぞれ一律とした上で、図３に示した接着率推移との関係で、次のように定めた。図３に示すように、燃料電池セル１１０の運転継続時間が短い状況では、カソード１１３とカソード側ガス拡散層１１５との接着は進まないので、電解質膜１１１の膨潤と収縮の余地、即ち歪みの余地は大きい。こうした歪み余地が大きい場合に電解質膜１１１を何の対策も採らずに歪ませたのでは、電解質膜１１１の歪みが大きくなり、膜の損傷を招きかねない。こうした事態を防いで膜の損傷を抑制するため、本実施形態では、燃料電池セル１１０の運転継続時間が短い状況からの膜損傷を抑制すべく、上記の上下限歪みを運転継続時間に亘って一律とした上で、比較的小さな歪み値とした。
【００４５】
制御部２００は、ステップＳ２２０にて求めた膜歪みεが許容上限歪みεＨより小さく（ステップＳ２３０：肯定判定）、許容下限歪みεＬよりも大きい（ステップＳ２４０：肯定判定）と、燃料電池セル１１０の運転に制限を課さないよう指令して（ステップＳ２５０）、本ルーチンを一旦終了する。つまり、電解質膜１１１の歪みは図７の許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬの間であることから、制御部２００は、電解質膜１１１の損傷を招く歪みは起きていないとして、図２のステップＳ１２０で肯定判定されないようにする。これにより、図２の発電運転制御では、燃料電池セル１１０を算出したセル電圧Ｓｖで発電運転制御することになる。なお、上記の発電運転に制限を課さない指令は、前回以前の本ルーチンにおける後述のステップＳ２６０〜２７０で発せられた乾燥運転要求或いは加湿運転要求をキャンセルすることにもなる。
【００４６】
その一方、ステップＳ２３０で否定判定すると、ステップＳ２２０にて求めた膜歪みεは水分過多に伴うものであることから、水分過多を解消すべく、制御部２００は、電解質膜１１１の乾燥が進む側に燃料電池セル１１０の運転を制限する運転要求（乾燥運転要求）を発すると共に、この運転要求に見合ったパラメータを設定し（ステップＳ２６０）、本ルーチンを終了する。例えば、制御部２００は、カソード１１３のガス供給ストイキを増大設定したり、カソード背圧の低減設定、ガス温度や冷却温度の増大設定、要求負荷の低減設定等のパラメータ設定を図り、その設定値を、所定のメモリー領域に記憶する。そうすると、図２の発電運転制御では、そのステップＳ１２０にて出力制限があるとされ、ステップＳ１４０では、上記の設定値を読み込んで、その設定値にてセル電圧Ｓｖを電解質膜１１１の乾燥が進む出力制限電圧ＳＬｖに制限して発電運転制御がなされる。そして、この運転制御により電解質膜１１１の乾燥が進んで膜の水分過多は解消に向かい、電解質膜１１１の歪みは許容上限歪みεＨより小さくなると想定できる。この場合、上記の各パラメータの設定は、いずれか一つ、或いはいくつかを組み合わせれば良く、常に、全てを設定する必要はない。また、パラメータ設定は、電解質膜１１１の乾燥が進む側に一律の値で設定するようにすることができるほか、求めた膜歪みεと許容上限歪みεＨとの差分が大きいほど大きな値に設定するよう、この差分に応じて設定することもできる。
【００４７】
また、ステップＳ２３０の肯定判定に続いてステップＳ２４０で否定判定すると、ステップＳ２２０にて求めた膜歪みεは乾燥に伴うものであることから、膜乾燥を解消すべく、制御部２００は、電解質膜１１１の加湿が進む側に燃料電池セル１１０の運転を制限する運転要求（加湿運転要求）を発すると共に、この運転要求に見合ったパラメータを設定し（ステップＳ２７０）、本ルーチンを終了する。例えば、制御部２００は、カソード１１３のガス供給ストイキを低減設定したり、カソード背圧の増大設定、ガス温度や冷却温度の低減設定、要求負荷の増大設定等を図り、その設定値を、所定のメモリー領域に記憶する。そうすると、図２の発電運転制御では、そのステップＳ１２０にて出力制限があるとされ、ステップＳ１４０では、上記の設定値を読み込んで、その設定値にてセル電圧Ｓｖを電解質膜１１１の加湿が進む出力制限電圧ＳＬｖに制限して発電運転制御がなされる。そして、この運転制御により電解質膜１１１の加湿が進んで膜の乾燥は解消に向かい、電解質膜１１１の歪みは許容上限歪みεＨより小さくなると想定できる。この加湿要求の場合における各パラメータ設定は、乾燥要求と同じようにすればよい。
【００４８】
以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システム１０００は、アクセル踏込量に応じた負荷に見合う電力を燃料電池１００の発電電力で賄うに当たり、燃料電池１００の運転継続状況下で電解質膜１１１に繰り返し起きる膨潤と収縮によるカソード１１３とカソード側ガス拡散層１１５との接着性と、電解質膜１１１の膨潤と収縮の繰り返しによる電解質膜１１１の歪みとに着目し、電解質膜１１１の歪みεを燃料電池１００の運転継続状況下で求め（ステップＳ２２０）、求めた歪みεを許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬに対比する。この許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬは、水分過多に伴う膨潤により歪んだり乾燥に伴う収縮を受けて歪んだ場合に、これら歪みに基づく膜損傷を抑制可能な歪み許容範囲を規定することから、求めた歪みεが許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬで定まる許容範囲内であれば、歪みによる膜損傷をもたらすことは希もしくは起きないと想定されるので、燃料電池セル１１０のセル電圧Ｓｖに制限を課すことなく、燃料電池セル１１０をこのセル電圧Ｓｖで運転制御する（ステップＳ１３０）。
【００４９】
その一方、第１実施形態の燃料電池システム１０００は、求めた歪みεが許容上限歪みεＨを超えていると、水分過多に伴う膨潤による膜の歪みにより膜損傷を起こしかねないので、電解質膜１１１の歪みを許容上限歪みεＨより小さくして許容範囲とすべく、電解質膜１１１の乾燥が進む側に燃料電池セル１１０の運転を制限する各種パラメータを設定する（ステップＳ２６０）。このため、燃料電池セル１１０のセル電圧Ｓｖは、膜の乾燥側に設定されたパラメータの設定値にて乾燥が進む出力制限電圧ＳＬｖに制限され、燃料電池セル１１０は、この出力制限電圧ＳＬｖにて発電運転制御がなされる。また、求めた歪みεが許容下限歪みεＬより小さいと、乾燥に伴う収縮による膜の歪みにより膜損傷を起こしかねないので、電解質膜１１１の歪みを許容下限歪みεＬより大きくして許容範囲とすべく、電解質膜１１１の加湿が進む側に燃料電池セル１１０の運転を制限する各種パラメータを設定する（ステップＳ２７０）。このため、燃料電池セル１１０のセル電圧Ｓｖは、膜の加湿側に設定されたパラメータの設定値にて加湿が進む出力制限電圧ＳＬｖに制限され、燃料電池セル１１０は、この出力制限電圧ＳＬｖにて発電運転制御がなされる。本実施形態の燃料電池システム１０００によれば、上記の出力制限を課すことで、燃料電池セル１１０が有する電解質膜１１１の損傷を抑制しつつ燃料電池セル１１０、延いては燃料電池１００を運転できるので、膜の損傷に基づく発電性能の低下を抑制したり、発電性能の維持或いは向上を図りつつ、耐久性の向上も図ることができる。
【００５０】
また、本実施形態の燃料電池システム１０００では、二次電池６１０の電力により燃料電池１００の発電電力を補完して、要求負荷を充足する。よって、上記の出力制限を燃料電池１００の運転に課したとしても、要求負荷に応えることができる。
【００５１】
次に、他の実施形態について説明する。図８は第２実施形態の燃料電池システム１０００にて用いる第３マップにおける許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬの推移を燃料電池セルの運転継続状況に対応付けて示す説明図である。この図８に示すように、第２実施形態では、歪みによる膜損傷の抑制が可能な許容範囲を定める許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬとを、燃料電池１００の運転継続が進むほど大きくして、上記の許容範囲を広く設定する。こうすることで、燃料電池１００の運転が継続するほど、求めた歪みεが図８の許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬを超える頻度が低下するので、燃料電池１００の運転を歪みが歪み許容範囲に収まるよう制限する機会を減らすことができる。しかも、電解質膜１１１の膨潤と収縮の繰り返しに基づいたカソード１１３とカソード側ガス拡散層１１５の密着並びに両者の接着は、燃料電池１００の運転が継続するほど高まることから（図３参照）、カソード側ガス拡散層１１５による膜歪みの抑制効果が高まって、電解質膜１１１の歪みに対する耐性（耐久性）は高まる。これにより、上記のように許容範囲を広く設定して運転制限の機会が減っても、カソード側ガス拡散層１１５を介した電解質膜１１１自体の耐久性向上により、特段支障を招かないようにできる。
【００５２】
図９は第３実施形態の燃料電池システム１０００でなされる燃料電池１００の発電運転制御を示すフローチャート、図１０は第３実施形態の燃料電池システム１０００でなされるセル性状に基づいた運転制限制御を示すフローチャート、図１１は第３実施形態の燃料電池システム１０００にて用いる第３マップにおける許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬの推移を燃料電池セルの運転継続状況に対応付けて示す説明図である。
【００５３】
図９に示すように、第３実施形態の燃料電池システム１０００では、第１実施形態と同様に、要求負荷の読み込み（ステップＳ１００）、セル電圧Ｓｖの算出（ステップＳ１１０）および出力制限の有無判定（ステップＳ１２０）を行い、出力制限があると、読込済み要求負荷からその推移を算出する（ステップＳ１２５）。続くステップＳ１２７では、算出した要求負荷推移に基づいて、負荷充足を出力制限に優先すべきか否かを判定する。例えば、燃料電池システム１０００の搭載車両が坂道登坂の走行状態や、高速入口の合流走行、追い越し走行等にある場合には、要求負荷は増大推移し、こうした走行状態において出力を制限することは、ドライバビリティーの低下や運転者に違和感を付与する。よって、この第３実施形態では、要求負荷が増大推移していれば、ステップＳ１２７において否定判定して、算出したセル電圧Ｓｖでの発電運転に移行する（ステップＳ１３０）。これにより、要求負荷の増大推移状況では、要求負荷に基づいた燃料電池１００の運転制御を出力制限に優先して行うことで、増大推移下にある要求負荷に応えるので、ドライバビリティーを維持して運転者に違和感を抱かせないようにできる。そして、要求負荷は、いつまでの増大推移する訳ではなく、登坂や合流、追い越し等の終了と共に増大推移状況ではなくなるので、このようになれば、既述した出力制限を燃料電池１００の運転に課すことで電解質膜１１１の損傷抑制を図ることができる。
【００５４】
そして、この第３実施形態では、図１０の運転制限制御におけるステップＳ２６０〜２７０に続いて、乾燥運転或いは加湿運転での出力制限の要求が図９にて採用されたか否かを判定する（ステップＳ２８０）。制御部２００は、図９の発電運転制御におけるステップＳ１２７において負荷優先とした場合に、ステップＳ２８０にて肯定判定し、続くステップＳ２９０にて、許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬとを補正する。この補正の様子は図１１に示されており、制御部２００は、上記の許容上下限歪みをより長い運転継続時間に亘って小さくすることで、歪み許容範囲を狭小側に変更する。従って、この第３実施形態では、図９のステップＳ１２７にて要求負荷に基づいた運転制御を優先した以降においては、図１１に示す歪み許容範囲の狭小により、膜歪みεが許容上限歪みεＨ或いは許容下限歪みεＬを超える頻度を高める。これにより、燃料電池セル１１０の運転を電解質膜１１１の膜歪みεが許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬとで定まる歪み許容範囲に収まるよう制限する機会が増えるので、要求負荷に基づいた運転制御を優先したことで仮に電解質膜１１１の歪みが増したとしても、上記の制限機会の増加により歪みに伴う膜損傷の抑制を図ることができるので、耐久性の向上に寄与できる。
【００５５】
本発明は、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の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、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。
【００５６】
また、上記の実施形態では、燃料電池システム１０００を搭載した車両として説明したが、燃料電池１００を据え置き型として発電を図る発電システムとして適用することもできる。
【００５７】
この他、上記の実施形態では、求めた歪みεが許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬで定まる歪み許容範囲を超えると、歪みがこの許容範囲に収まるよう燃料電池１００の発電運転を制限するが、次のようにすることもできる。まず、求めた歪みεが歪み許容範囲を超えると、歪みを是正すべきとして、例えば、ランプ等にて報知する。そして、この報知を認知した車両運転者が適宜なスイッチ操作をすると、それ以降においては、歪みが許容範囲に収まるよう燃料電池１００の発電運転を制限するようにする。
【００５８】
また、上記の実施形態では、歪みをその許容範囲に制限するに当たり、図７等に示すように許容上限歪みεＨと許容下限歪みεＬを運転継続時間に対応付けたが、運転継続時間と同等のパラメータ、例えば累積発電量や、ガスの累積供給量等に上記の上下限値を対応付けるようにすることもできる。
【符号の説明】
【００５９】
１００…燃料電池
１１０…燃料電池セル
１１１…電解質膜
１１２…アノード
１１３…カソード
１１４…アノード側ガス拡散層
１１５…カソード側ガス拡散層
２００…制御部
２１０…メモリー
３１０…燃料ガス供給部
３１１…第１水素配管
３１２…第２水素配管
３１４…バイパス配管
３１５…切換バルブ
３１６…ヒーター
３１７…加湿器
３１８…アノード排ガス配管
３１９…圧力調整バルブ
３２０…酸化剤ガス供給部
３２１…第１酸素配管
３２２…第２酸素配管
３２４…バイパス配管
３２５…切換バルブ
３２６…ヒーター
３２７…加湿器
３２８…カソード排ガス配管
３３０…冷媒供給部
３３１…冷媒供給用配管
３３２…冷媒排出用配管
３６１…圧力センサー
３６２…圧力センサー
３６５…イン側温度センサー
３６６…アウト側温度センサー
４５０…背圧制御部
５００…セル特性計測部
５１０…セル特性計測器
５２０…電圧センサー
５３０…電流センサー
６００…電力制御部
６１０…二次電池
６２０…二次電池制御部
６３０…モーター
６４０…モーター制御部
１０００…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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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３】
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