(57)【要約】      （修正有）【課題】電解質膜の劣化を素早く検出する燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード電極に供給する燃料ガスのエンタルピーとカソード電極に供給する空気のエンタルピーの合計値である流入ガス総エンタルピーと、アノード電極から排出される排出燃料ガスのエンタルピーとカソード電極から排出される排出空気のエンタルピーとの合計値である排出ガス総エンタルピーとに基づく第１の冷却水受熱量を算出する。そして燃料電池１における冷却水の第２の冷却水受熱量と第１の冷却水受熱量との差が所定値よりも大きい場合に電解質膜の劣化を判定する。【選択図】        図１
2006260882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給する前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの有する第１の熱量相当値を算出する第１の熱量相当値算出手段と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの有する第２の熱量相当値を算出する第２の熱量相当値算出手段と、
前記第１の熱量相当値と前記第２の熱量相当値に基づいて前記燃料電池での熱量相当値の変化量を算出する熱量相当値変化量算出手段と、
前記燃料電池を冷却する冷却水の前記燃料電池での冷却水熱量変化量を算出する冷却水熱量変化量算出手段と、
前記熱量相当値の変化量と前記冷却水の前記熱量変化量との差が所定値以上である場合に前記電解質膜が劣化していると判定する電解質膜劣化判定手段と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の熱量相当値算出手段は、
前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの流量を検出する流量センサと、
前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの湿度を検出する湿度検出センサと、
前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの流量を検出する流量センサと、
前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの湿度を検出する湿度検出センサと、
前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの温度を検出する温度センサと、を備え、
第１の熱量相当値は、前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの前記流量と前記湿度と前記温度と、前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの前記流量と前記湿度と前記温度に基づいて算出し、
前記第２の熱量相当値算出手段は、
前記燃料電池から排出する前記燃料ガス中の水流量を検出するガス流量センサと、
前記燃料電池から排出する前記燃料ガスの湿度を検出する湿度検出センサと、
前記燃料電池から排出する前記燃料ガスの温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池から排出する前記酸化剤ガス中の水流量を検出する流量センサと、
前記燃料電池から排出する前記酸化剤ガスの湿度を検出する湿度検出センサと、
前記燃料電池から排出する前記酸化剤ガスの温度を検出する温度センサと、を備え、
前記第２の熱量相当値は、前記燃料電池から排出する前記燃料ガスの前記水流量と前記湿度と前記温度と、前記燃料電池から排出する前記酸化剤ガスの前記水流量と前記湿度と前記温度に基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱量相当値変化量算出手段は、
前記燃料電池の発電電力を算出する発電電力算出手段と、
前記燃料電池の放熱量を算出する放熱量算出手段と、を備え、
前記熱量相当値変化量算出手段は、前記第１の熱量相当値と前記第２の熱量相当値と前記発電電力と前記放熱量に基づいて前記熱量相当値の変化量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池のアノードと前記燃料電池のカソードの圧力差を制御する圧力差制御手段を備え、
前記圧力差制御手段は、前記電解質膜劣化判定手段によって前記電解質膜の劣化判定を行う場合に、前記圧力差を所定圧力差よりも大きくすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記圧力制御手段は、前記電解質膜劣化判定手段によって前記電解質膜が劣化していると判定した場合に、前記圧力差を略ゼロとすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の熱量相当値と前記第２の熱量相当値がエンタルピーであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つ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】
本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に電解質膜の劣化判定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池において固体高分子電解質膜には、水素イオン（プロトン）を透過させる機能と、アノードの燃料ガス（水素）とカソードの酸化剤ガス（空気）とを分離させる機能がある。したがって、固体高分子電解質膜が劣化し、例えば細孔が開いてしまった場合、アノードの燃料ガスがカソードに漏洩し、あるいはカソードの酸化剤ガスがアノードに漏洩する可能性があり、この場合には燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発熱し、燃料電池を劣化させ、燃料電池の発電効率を低下させるおそれがある。
【０００３】
そのため、燃料電池では固体高分子電解質膜の劣化による水素漏れあるいは酸化剤ガス漏れが生じているときには早期にこれを発見し、固体高分子電解質膜の交換などの必要な措置を施さなければならない。
【０００４】
そこで、従来は特許文献１に開示されているように、アノードに供給する燃料ガスの圧力をカソードに供給する酸化剤ガスの圧力よりも高く維持した状態で、活性化過電圧領域で出力電圧を測定し、出力電圧が所定の電圧値以下であった場合にガス漏れが生じていると判定していた。
【特許文献１】特開２００３−０４５４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の発明では、活性化過電圧領域以外の領域、例えば活性化過電圧領域よりも負荷が大きい場合などでは、正確に電解質膜の劣化を判定できないといった問題点がある。
【０００６】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池の発電領域、つまり燃料電池に要求される負荷の大きさに関わらず電解質膜の劣化判定を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、電解質膜に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することより発電する燃料電池と、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの有する第１の熱量相当値を算出する第１の熱量相当値算出手段と、燃料電池から排出された燃料ガスと酸化剤ガスの有する第２の熱量相当値を算出する第２の熱量相当値算出手段と、第１の熱量相当値と第２の熱量相当値に基づいて燃料電池での熱量相当値の変化量を算出する熱量相当値変化量算出手段と、燃料電池を冷却する冷却水の燃料電池での冷却水熱量変化量を算出する冷却水熱量変化量算出手段と、熱量相当値の変化量と冷却水の熱量変化量との差が所定値以上である場合に電解質膜が劣化していると判定する電解質膜劣化判定手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの熱量相当値、例えばエンタルピーと、燃料電池から排出される燃料ガスと酸化剤ガスの熱量相当値、例えばエンタルピーを算出し、また冷却水の燃料電池での熱量変化量を算出する。そして燃料電池での熱量相当値に基づく変化量と冷却水の熱変化量との差が所定値よりも大きい場合には電解質膜が劣化していると判定する。これにより燃料電池システムにおいて燃料電池の発電領域に関わらず電解質膜の劣化判定を行うことができ、電解質膜が劣化した場合に素早く検出することができる。つまり、燃料電池システムに要求される負荷の大きさに関わらず、電解質膜の劣化判定を行うことができる。特に燃料電池システムに要求される負荷が大きい場合にも正確に電解質膜の劣化判定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態の燃料電池システムについて図１の概略構成図を用いて説明する。
【００１０】
燃料電池システムは、燃料電池１と、後述するアノード電極３２に水素供給路２０を介して水素を供給する水素ボンベ２と、水素供給路２０に設け水素ボンベ２から供給される水素流量を制御する流量制御弁３と、アノード電極３２から排出された排出水素を再びアノード電極３２に循環させる水素循環路２１に設けたドレイントラップ４と、ドレイントラップ４の下流に設けた循環ポンプ５を備える。また、アノード電極３２から排出された排出水素中の窒素濃度が高くなった場合に、排出水素を燃料電池システムの外部へ排出する水素排出路２５にアノード電極３２と燃料電池システムの外部との連通状態を切り換える切替弁１２を備える。以下においてアノード電極３２に供給する水素を含んだガス、つまり水素ボンベ２から供給される水素と水素循環路２１によって環流する排出水素を総して燃料ガスとする。
【００１１】
燃料電池システムを運転するとカソード電極３３からアノード電極３２へ電解質膜３１を介して窒素が混入する。これにより燃料ガス中の窒素濃度が高くなると燃料電池１の発電効率が低くなるので、燃料ガス中の窒素濃度が高くなると水素排出路２５に設けた切替弁１２を開き、アノード電極３２から排出された排出燃料ガスを燃料電池システムの外部へ排出する。この実施形態では燃料電池１のアノード/カソード間の差圧から換算した窒素混入量の積算値によって燃料ガス中の窒素濃度を推定し、切替弁１２の開閉を制御する。なお、切替弁１２の開閉制御についてはこれに限られることはない。
【００１２】
また、後述するカソード電極３３に空気供給路２２を介して空気を供給するコンプレッサ６と、カソード電極３３から排出空気を燃料電池システムの外部へ排出する空気排出路２３に設けたドレイントラップ７と、カソード４１の圧力を制御する圧力制御弁８を備える。また、燃料電池１に冷却水を循環させる冷却水循環路２４に設けられ冷却水の温度を調整するラジエータ９と、冷却水を燃料電池１とラジエータ９との間で循環させる冷却水ポンプ１０とを備える。
【００１３】
また、燃料電池１に外部から埃などの異物が混入しないように燃料電池ケース１１を備える。なお、燃料電池ケース１１は断熱性の高い部材を用いることが望ましい。
【００１４】
燃料電池１は単位セル３０を例えば１００から２００枚積層して構成される。ここで単位セル３０の構成について図２の概略構成図を用いて説明する。
【００１５】
単位セル３０は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）３１と、電解質膜３１を挟持するアノード電極３２とカソード電極３３と、アノード電極３２とカソード電極３３のさらに外側に設けたアノードセパレータ３４とカソードセパレータ３５とから構成する。
【００１６】
アノード電極３２とカソード電極３３は例えば白金などの触媒を有する触媒層（図示せず）と、伝導性を有し燃料ガスまたは空気を拡散させるガス拡散層（図示せず）とから構成される。
【００１７】
アノードセパレータ３４は、水素供給路２０と水素循環路２１と連通し燃料ガスをアノード電極３２に供給する水素流路３６を備え、カソードセパレータ３５は、空気供給路２２と空気排出路２３と連通しカソード電極３３に空気を供給する空気流路３７を備える。また、冷却水循環路２４と連通し単位セル３０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路３８を備える。
【００１８】
ドレイントラップ４、７は、排出燃料ガス中、または排出空気中の水分を凝縮させる。凝縮した水の流量はドレイントラップ４、７に設けた液水流量センサ（流量センサ）Ｆ２、Ｆ４によってそれぞれ検出される。
【００１９】
水素供給路２０にはアノード電極３２に供給する燃料ガスの流量を検出する流量センサＦ１と、湿度を検出する露点センサ（湿度検出センサ）Ｄ１と、温度を検出する温度センサＴ１を備える。水素循環路２１にはアノード電極３２の下流側であり、ドレイントラップ４の上流側にアノード電極３２から排出された排出燃料ガスの湿度を検出する露点センサ（湿度検出センサ）Ｄ２と、温度を検出する温度センサＴ２を備える。
【００２０】
空気供給路２２にはカソード電極３３に供給する空気の流量を検出する流量センサＦ３と、湿度を検出する露点センサ（湿度検出センサ）Ｄ３と、温度を検出する温度センサＴ３を備える。空気排出路２３にはカソード電極３３の下流側であり、ドレイントラップ７の上流側にカソード電極３３から排出された排出空気の湿度を検出する露点センサ（湿度検出センサ）Ｄ４と、温度を検出する温度センサＴ４を備える。
【００２１】
冷却水供循環路２４には、冷却水の循環流量を検出する流量センサＦ５と、冷却水流路３８に供給する冷却水の温度を検出する温度センサＴ５を備える。また、冷却水流路３８から排出された冷却水の温度を検出する温度センサＴ６を備える。
【００２２】
燃料電池ケース１１の内部には燃料電池１の雰囲気温度を検出する温度センサＴ７を備える。
【００２３】
燃料電池１の発電状態を検出するために燃料電池１の電圧を検出する電圧センサＶ１と、燃料電池１の電流を検出する電流センサＩ１を備える。
【００２４】
各センサなどの信号から後述する第１の冷却水受熱量、第２の冷却水受熱量を算出し、電解質膜３１の劣化判定を行う演算装置４０を備える。
【００２５】
以上の構成によって、電解質膜３１の劣化によるカソード電極３３への燃料ガスの混入、またはアノード電極３２への空気の混入を検出することができる。
【００２６】
次に本発明の電解質膜３１の劣化判定方法について図３のフローチャートを用いて説明する。
【００２７】
ステップＳ１００では、アノード電極３２に供給する燃料ガスが有するエンタルピーと、カソード電極３３に供給する空気が有するエンタルピーの合計値である流入ガス総エンタルピー（第１の熱量相当値）を算出する（ステップＳ１００が第１の熱量相当値算出手段を構成する）。
【００２８】
ステップＳ１０１では、アノード電極３２から排出される排出燃料ガスが有するエンタルピーと、カソード電極３３から排出される排出空気が有するエンタルピーとの合計値である排出ガス総エンタルピー（第２の熱量相当値）を算出する（ステップＳ１０１が第２の熱量相当値算出手段を構成する）。
【００２９】
なお、流入ガス総エンタルピーと排出ガス総エンタルピーの算出方法について、詳しくは後述する。
【００３０】
燃料電池システムの熱収支は、流入ガス総エンタルピーと排出ガス総エンタルピーと燃料電池１の発電電力と燃料電池１の発熱量とにより、
流入ガス総エンタルピー＝排出ガス総エンタルピー＋燃料電池の発電電力＋燃料電池の発熱量・・・式（１）
によって表すことができる。また、燃料電池１の発熱量は、
燃料電池の発熱量＝冷却水の受熱量＋燃料電池の放熱量・・・式（２）
によって表すことができる。
【００３１】
つまり、冷却水の受熱量は式（１）、式（２）より、
冷却水の受熱量＝流入総エンタルピー−排出ガス総エンタルピー−燃料電池の発電電力−燃料電池の放熱量・・・式（３）
によって表すことができる。なお、以下において式（３）で示す冷却水の受熱量を第１の冷却水受熱量（熱量相当値の変化量）とする。
【００３２】
ステップＳ１０２では、燃料電池１の発電電力と、燃料電池１の放熱量を算出し、ステップＳ１００で算出した流入ガス総エンタルピーとステップＳ１０１で算出した排出ガス総エンタルピーとから式（３）により第１の冷却水受熱量を算出する（ステップＳ１０２が熱量相当値変化量算出手段を構成する）。燃料電池の発電電力は電圧センサＶ１によって検出する電圧と、電流センサＩ１によって検出する電流との積から算出する。また燃料電池１の放熱量は予め実験などによって設定され、温度センサＴ７、燃料電池１の発電電力を基にマップなどから算出する。
【００３３】
ステップＳ１０３では、冷却水流路３８を流れる冷却水の燃料電池１における温度変化に基づく冷却水の受熱量を、
冷却水の受熱量＝冷却水流量×冷却水比重×冷却水比熱×（冷却水排出温度−冷却水供給温度）・・・式（４）
によって算出する。なお、以下において式（４）で示す冷却水の受熱量を第２の冷却水受熱量（冷却水熱量変化量）とする。
【００３４】
ステップＳ１０３では、流量センサＦ５によって冷却水流量を検出し、温度センサＴ５によって冷却水流路３８の上流の温度、つまり冷却水供給温度を検出し、温度センサＴ６によって冷却水流路３８の下流の温度、つまり冷却水排出温度を検出する。そして、予め設定する冷却水比重と、冷却水比熱とから式（４）によって第２の冷却水受熱量を算出する（ステップＳ１０３が冷却水熱量変化量算出手段を構成する）。
【００３５】
電解質膜３１が劣化していない燃料電池システムにおいて通常の運転を行っている場合には第１の冷却水受熱量と第２の冷却水受熱量の値は略同一となる。しかし、電解質膜３１が劣化して電解質膜３１に細孔が開き、アノード電極３２に空気が混入、またはカソード電極３３に水素が混入すると、アノード電極３２またはカソード電極３３の触媒層上で水素と酸素が反応し、その反応熱によって第２の冷却水受熱量が大きくなる。そのため第２の冷却水受熱量が第１の冷却水受熱量よりも大きくなる。
【００３６】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３によって算出した第２の冷却水受熱量とステップＳ１０２によって算出した第１の冷却水受熱量との差を算出し、その差が所定値よりも大きいかどうか判定する。所定値は予め実験などによって設定された値であり、電解質膜３１が劣化した場合に生じる第２の冷却水受熱量と第１の冷却水受熱量との熱量の差であり、燃料電池システムに要求される負荷に応じてマップなどにより算出する。
【００３７】
なお、ステップＳ１０４において、電解質膜３１が劣化していると判定された場合には、警告灯（図示せず）などによって運転者などに告知する。そして、第２の冷却水受熱量と第１の受熱量との差が所定値よりも大きい場合にはステップＳ１０５へ進む。第２の冷却水受熱量と第１の受熱量との差が所定値よりも小さい場合には電解質膜３１が劣化していないと判定し、通常の燃料電池システムの運転を継続する（ステップＳ１０４が電解質膜劣化判定手段を構成する）。
【００３８】
ステップＳ１０５では、電解質膜３１が劣化し、アノード電極３２に空気が、またはカソード電極３３に水素が混入していると判定し、循環ポンプ５や圧力調整弁８によってアノード電極３２とカソード電極３との圧力を略同一として、電解質膜３１の劣化によるアノード電極３２への空気の混入、またはカソード電極３３への水素の混入を抑制する。これによって電解質膜３１の更なる劣化を抑制し、例えば自動車に搭載した燃料電池システムでは、自動車が走行不能となることを防止することができる。
【００３９】
ここで、電解質膜３１に劣化が生じた場合の冷却水の受熱量の変化の一例を図４に示す。燃料電池１を長時間運転すると劣化が生じる可能性があるが、その場合燃料電池システムの運転中に第２の冷却水受熱量と第１の冷却水受熱量との差が大きくなる。
【００４０】
この実施形態では燃料電池１での冷却水の温度変化に基づく第２の冷却水受熱量と燃料電池１におけるエンタルピーの変化に基づく第１の冷却水受熱量との差が所定値よりも大きくなった場合（図４中ａ点）において電解質膜３１の劣化を検出することができる。
【００４１】
以上のように、燃料電池システムの運転中に電解質膜３１の劣化判定を燃料電池１の負荷の大きさに関わらず行うことができる。
【００４２】
次に流入ガス総エンタルピーと排出ガス総エンタルピーについて説明する。
【００４３】
或る物質の持つエンタルピーは、例えば物質の温度がＴ１からＴ２へと変化した場合には、エンタルピーＨは式（５）により算出することができる。
【００４４】
【数１】
2006260882.tif 000003
【００４５】
ここでＮは物質のモル数、Ｃｐは定圧モル熱容量とし、Ｃｐを、
Ｃｐ＝ａ＋ｂＴ＋ｃＴ2・・・式（６）
とする。ａ、ｂ、ｃは物質の種類により決まる定数である。
【００４６】
この実施形態では、アノード電極３２に供給される燃料ガスの構成成分を水素、窒素、水蒸気とし、カソード電極３３に供給される空気の構成成分を窒素、酸素、水蒸気とする。またアノード電極３２から排出される排出燃料ガスの構成成分を水素、窒素、水蒸気、水とし、カソード電極３３から排出される排出空気の構成成分を窒素、酸素、水蒸気、水とする。なお、この構成成分以外の成分も考慮することが望ましい。
【００４７】
アノード電極３２に供給される燃料ガス中の水素のモル数は、燃料電池システムに要求される負荷に応じて水素ボンベ２から供給される水素のモル数と、水素循環路２１を循環する排出燃料ガス中の水素のモル数との合計値であり、燃料電池システムに要求される負荷に応じて算出する。なお、水素濃度センサを用いてアノード電極３２に供給される燃料ガス中の水素濃度を検出し、流量センサＦ１によって検出する燃料ガスの流量と水素濃度とから算出しても良い。
【００４８】
アノード電極３２に供給される燃料ガス中の窒素のモル数は、燃料電池１のアノード/カソード間の差圧から換算した窒素混入量の積算値に基づいて算出する。
【００４９】
アノード電極３２に供給される燃料ガス中の水蒸気のモル数は、流量センサＦ１によって検出される燃料ガスの流量と、露点センサＤ１によって検出される燃料ガスの湿度から算出する。
【００５０】
カソード電極３３に供給される空気中の窒素、酸素のモル数は、空気の組成率と流量センサＦ３によって検出される空気流量に基づいて算出する。
【００５１】
カソード電極３３に供給される空気中の水蒸気のモル数は、流量センサＦ３によって検出される空気流量と、露点センサＤ３によって検出される空気の湿度から算出する。
【００５２】
また、アノード電極３２から排出される排出燃料ガス中の水素のモル数は、アノード電極３２に供給される燃料ガス中の水素のモル数から燃料電池１の発電で使用される水素のモル数を引いて算出する。
【００５３】
アノード電極３２から排出される排出燃料ガス中の窒素のモル数は、燃料電池１のアノード/カソード間の差圧から換算した窒素混入量の積算値と切替弁１２の開閉制御とに基づいて算出する。
【００５４】
アノード電極３２から排出される排出燃料ガス中の水蒸気のモル数は、露点センサＤ２によって検出される排出燃料ガス中の温度と循環ポンプ５の流量から算出し、排出燃料ガス中の水のモル数は、ドレイントラップ４に設けた液水流量センサＦ２に基づいて算出する。
【００５５】
また、カソード電極３３から排出される排出空気中の窒素のモル数は、カソード電極３３に供給される空気中の窒素のモル数として設定する。
【００５６】
カソード電極３３から排出される排出空気中の酸素のモル数は、カソード電極３３に供給される酸素のモル数から燃料電池１の発電に使用された酸素のモル数を引いて算出する。
【００５７】
カソード電極３３から排出される排出空気中の水蒸気のモル数は、露点センサＤ４によって検出される排出空気中の湿度と流量センサＦ３の流量に基づいて算出し、排出空気中の水のモル数は、ドレイントラップ７に設けた液水流量センサＦ４に基づいて算出する。
【００５８】
なお、アノード電極３２に供給する燃料ガス、アノード電極３２から排出される排出燃料ガス、カソード電極３３に供給する空気、カソード電極３３から排出される排出空気の各構成成分のモル数の算出は上記方法に限られることはなく、各構成成分のモル数を算出できればよい。
【００５９】
以上によって算出したアノード電極３２に供給される燃料ガス、アノード電極３２から排出される排出燃料ガス、またはカソード電極３３に供給される空気、カソード電極３３から排出される排出空気の各構成成分のモル数と、式（５）、式（６）とから各構成成分のエンタルピーを算出する。
【００６０】
例えば、アノード電極３２に供給される燃料ガス中の水素のエンタルピーは、次に示す式（７）によって算出する。
【００６１】
【数２】
2006260882.tif 000004
【００６２】
なお、ＮH2_inは算出するアノード電極３２に供給する燃料ガス中の水素のモル数であり、Ｔ０は基準とする温度であり、ここでは２９８．１５Ｋとする。また、Ｔ１は温度センサＴ１により検出する燃料ガスの温度である。
【００６３】
また、アノード電極３２から排出される排出水素中の水素のエンタルピーは、次に示す式（８）によって算出する。
【００６４】
【数３】
2006260882.tif 000005
【００６５】
なお、ＮH2_outは算出するアノード電極３２から排出される排出水素中の水素のモル数であり、Ｔ３は温度センサＴ３により検出する排出水素の温度である。
【００６６】
この実施形態では各構成成分のエンタルピーを式（７）、式（８）と同様に算出し、アノード極３２に供給される燃料ガスのエンタルピーとカソード極３３に供給される空気のエンタルピーの合計値を流入ガス総エンタルピーとして算出する。またアノード極３２から排出される燃料ガスのエンタルピーとカソード極３３から排出される空気のエンタルピーの合計値を排出ガス総エンタルピーとして算出する。
【００６７】
なお、この実施形態において所定時間毎にアノード電極３２の圧力、またはカソード電極３３の圧力を変化させ、電解質膜３１の劣化判定を行う場合にアノード電極３２とカソード電極３３との圧力差を所定圧力差よりも大きくしても良い。これにより、電解質膜３１が劣化した場合に、アノード電極３２に空気を、またはカソード電極３３に水素を一時的に多く混入させ、例えば電解質膜３１に開いた細孔が小さい場合にも、比較的早い段階で電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。所定圧力差は予め実験などにより設定した圧力差である。なお、アノード電極３２の圧力よりもカソード電極３３の圧力を高くすることが望ましい。これにより、電解質膜３１が劣化した場合にカソード電極３３からアノード電極３２に空気が混入し、混入した空気は水素循環路２１を通りアノード電極３２を循環する。そのため電解質膜３１に開いた細孔の位置にかかわらず、電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。
【００６８】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００６９】
この実施形態では、燃料電池１に供給する燃料ガスと空気のエンタルピーの合計値である流入ガス総エンタルピーと、燃料電池１から排出される排出燃料ガスと排出空気のエンタルピーの合計値である排出ガス総エンタルピーとに基づいて第１の冷却水受熱量を算出し、燃料電池１を冷却する冷却水の温度変化に基づいて出する第２の冷却水受熱量を算出する。そして、第２の冷却水受熱量と第１の冷却水受熱量との差が所定値よりも大きい場合に電解質膜３１が劣化していると判定する。これにより、燃料電池システムの広い運転領域で電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。つまり燃料電池システムに要求される負荷の大きさに関わらず、電解質膜３１の劣化判定を行うことができ、電解質膜３１に劣化が生じた場合に素早く発見することができる。特に燃料電池システムに要求される負荷が大きい場合には、燃料電池１に供給される燃料ガスと空気の流量が多くなるので、電解質膜３１の劣化を検出することができる。
【００７０】
電解質膜３１が劣化していると判定すると、アノード電極３２とカソード電極３３の圧力を略同一、つまりアノード電極３２とカソード電極３３との圧力差を略ゼロとするので、アノード電極３２への空気の混入、またはカソード電極３３への水素の混入を抑制し、電解質膜３１の劣化の進行を抑制することができ、例えば燃料電池システムの急激な出力の低下、または運転停止を防止することができる。
【００７１】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
自動車に搭載する燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の燃料電池の概略構成図である。
【図３】本発明の電解質膜の劣化判定を行うフローチャートである。
【図４】燃料電池システムを長時間運転した場合の電解質膜の状態を表すマップである。
【符号の説明】
【００７４】
１      燃料電池
２      水素ボンベ
４、７  ドレインポンプ
５      循環ポンプ
６      コンプレッサ
８      圧力制御弁
９      ラジエータ
３０    単位セル
３１    電解質膜
３２    アノード電極
３３    カソード電極
４０    演算装置
Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５    流量センサ
Ｆ２、Ｆ４    液水流量センサ（流量センサ）
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４    露点センサ
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７    温度センサ
Ｉ１    電流センサ
Ｖ１    電圧センサ
【図１】
2006260882.tif 000006
【図２】
2006260882.tif 000007
【図３】
2006260882.tif 000008
【図４】
2006260882.tif 000009