(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システムにおいて、電解質膜に発生した永久歪を検出する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、電解質膜を用いた燃料電池セル１１０を有する燃料電池１００と、電解質膜の湿度を調整する膜湿度調整部と、電解質膜の変形に応じて変化する電解質膜の面圧を測定する面圧測定部と、面圧の測定の際に、電解質膜の湿度が通常の発電動作時に許容される範囲よりも低い湿度となるように膜湿度調整部を動作させた後で、面圧測定部を介して電解質膜の面圧を測定し、電解質膜の面圧の測定結果に基づいて電解質膜の変形の状態を判定する膜状態判定部６３０と、を備える。【選択図】図１
2011124132.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、
電解質膜を用いた燃料電池セルを有する燃料電池と、
前記電解質膜の湿度を調整する膜湿度調整部と、
前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部と、
前記面圧の測定の際に、前記電解質膜の湿度が通常の発電動作時に許容される範囲よりも低い湿度となるように前記膜湿度調整部を動作させた後で、前記面圧測定部を介して前記電解質膜の面圧を測定し、前記電解質膜の面圧の測定結果に基づいて前記電解質膜の変形の状態を判定する膜状態判定部と、を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであて、
前記燃料電池セルは、
前記電解質膜を挟んで形成された２つの触媒電極と、
前記２つの触媒電極の面上に形成された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層の面上に形成された２つのガス流路部と、を備えており、
前記面圧測定部は、いずれか一方のガス拡散層とガス流路部との間において、前記ガス拡散層側と前記ガス流路部側のどちらか一方側に設けられている複数の面圧センサーにより構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記膜状態判定部は、あらかじめ設定されている変形検知圧力閾値を越えた指示値を示す前記面圧センサーの個数が、前記電解質膜が過度に変形した状態にあると推定される個数としてあらかじめ設定されている変形検知数閾値を超えているか否かにより、前記電解質膜の状態を判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記面圧センサーを含む燃料電池セルは、複数の燃料電池セルの積層端部にある燃料電池セルであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記電解質膜で発生する反応ガスのクロスリーク量を測定するクロスリーク測定部、を備え、
前記膜状態判定部は、前記クロスリーク量を測定する場合において、前記面圧センサーの個数が前記基準閾値を超えた際には、前記クロスリーク測定部が実行する前記クロスリーク量の測定頻度を増加して測定させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
電解質膜を用いた燃料電池セルを有する燃料電池と、前記電解質膜の湿度を調整する膜湿度調整部と、前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記電解質膜の変形の状態を判定する判定方法であって、
前記面圧の測定の際に、前記電解質膜の湿度が通常の発電動作時に許容される範囲よりも低い湿度となるように前記膜湿度調整部を動作させた後で、前記面圧測定部を介して前記電解質膜の面圧を測定し、前記電解質膜の面圧の測定結果に基づいて前記電解質膜の変形の状態を判定する
ことを特徴とする判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる燃料電池セルの構成要素の一つである電解質膜に発生する変形（「膜シワ」と呼ばれる）を検知する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての酸素との電気化学反応によって発電することが可能である。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ触媒電極を接合した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）に、さらに、それぞれガス拡散層およびガス流路部を配置し、セパレータにより挟持した燃料電池セルにより構成される。なお、ガス流路部は、セパレータの一部として構成される場合もある。
【０００３】
このような燃料電池では、その動作状態に応じて水の生成量が変化して、電解質膜の状態が膨潤状態や乾燥状態に変化し、電解質膜が膨潤状態になると電解質膜が膨張し、乾燥状態になると収縮する。しかしながら、この燃料電池の動作状態において、この膨潤状態と乾燥状態を繰り返していくうちに、電解質膜の状態が元の状態に戻らずに変形したまま（「膜シワ」と呼ぶ）の状態が発生し、その変形の度合（膜シワの量）も増加していく。このような膜シワが発生し増大すると、燃料ガスである水素がイオン化せずにそのまま電解質膜を透過してしまう現象、いわゆるクロスリークの量が発生し増大して、発電性能が劣化してしまうことになる。
【０００４】
ここで、先行技術文献１には、電解質膜の収縮量を検出する膜電極接合体の劣化判定装置の発明が開示されている。しかしながら、この膜の収縮量には、湿潤状態から乾燥状態に変化したときに消失する量（以下、「一時歪」とも呼ぶ）も含まれることになり、湿潤状態から乾燥状態に変化しても消失しない量（以下、「永久歪」とも呼ぶ）を検出できず、これに起因するクロスリーク量を検出することはできない、という問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８２６４４号公報
【特許文献２】特開２００９−０４８９４９号公報
【特許文献３】国際公開第２００７／０５２５００号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、電解質膜に発生した永久歪を検出す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】
【０００７】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
電解質膜を用いた燃料電池セルを有する燃料電池と、
前記電解質膜の湿度を調整する膜湿度調整部と、
前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部と、
前記面圧の測定の際に、前記電解質膜の湿度が通常の発電動作時に許容される範囲よりも低い湿度となるように前記膜湿度調整部を動作させた後で、前記面圧測定部を介して前記電解質膜の面圧を測定し、前記電解質膜の面圧の測定結果に基づいて前記電解質膜の変形の状態を判定する膜状態判定部と、を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記燃料電池システムによれば、電解質膜の変形の状態として、電解質膜に発生した永久歪を検出することができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルは、
前記電解質膜を挟んで形成された２つの触媒電極と、
前記２つの触媒電極の面上に形成された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層の面上に形成された２つのガス流路部と、を備えており、
前記面圧測定部は、いずれか一方のガス拡散層とガス流路部との間において、前記ガス拡散層側と前記ガス流路部側のどちらか一方側に設けられている複数の面圧センサーにより構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、前記電解質膜の面圧を容易に測定することができる。
【００１０】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記膜状態判定部は、あらかじめ設定されている変形検知圧力閾値を越えた指示値を示す前記面圧センサーの個数が、前記電解質膜の変形量が過度に変形した状態にあると推定される個数としてあらかじめ設定されている変形検知数閾値を超えているか否かにより、前記電解質膜の状態を判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、圧力閾値を超えた面圧センサーの個数から、電解質膜の状態として、膜の永久歪の度合いを検出することができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例２または適用例３記載の燃料電池システムであって、
前記面圧センサーを含む燃料電池セルは、複数の燃料電池セルの積層端部にある燃料電池セルであることを特徴とする燃料電池システム。
積層端部にある燃料電池セルは、通常の発電時において電解質膜の含水量が多くなりやすく、乾湿の変化度合いが大きくなって、永久歪が発生しやすいと考えられる。従って、上記構成では、電解質膜の永久歪の発生の可能性の高い燃料電池セルに面圧センサーを備える構成であるので、電解質膜に発生した永久歪の検出の確度を高めることができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例３または適用例４記載の燃料電池システムであって、
前記電解質膜で発生する反応ガスのクロスリーク量を測定するクロスリーク測定部、を備え、
前記膜状態判定部は、前記クロスリーク量を測定する場合において、前記面圧センサーの個数が前記基準閾値を超えた際には、前記クロスリーク測定部に対して、前記クロスリーク量の測定頻度を増加して測定させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、電解質膜の状態として、永久歪の増大に応じてクロスリーク量の測定頻度を増加させることができ、逆に不要なクロスリーク量の測定頻度を減らすことができるので、ユーザービリティを向上させることができる。
【００１３】
［適用例６］
電解質膜を用いた燃料電池セルを有する燃料電池と、前記電解質膜の湿度を調整する膜湿度調整部と、前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記電解質膜の変形の状態を判定する判定方法であって、
前記面圧の測定の際に、前記電解質膜の湿度が通常の発電動作時に許容される範囲よりも低い湿度となるように前記膜湿度調整部を動作させた後で、前記面圧測定部を介して前記電解質膜の面圧を測定し、前記電解質膜の面圧の測定結果に基づいて前記電解質膜の変形の状態を判定する
ことを特徴とする判定方法。
上記方法によれば、燃料電池システムにおいて、電解質膜の変形の状態として、電解質膜に発生した永久歪を検出することができる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや燃料電池システムにおいて、電解質膜の変形の状態を判定する判定方法などの種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池セル１１０Ａの構成について示す説明図である。
【図３】電解質膜１１１の非弾性的な変形(膜シワ)とガスリークの増加量との関係について調べた実験結果を示す説明図である。
【図４】膜状態判定部６３０が実行する膜状態判定の手順を示すフローチャートである。
【図５】第２実施例としての燃料電池シスエムの概略構成を示すブロック図である。
【図６】膜状態判定部６３０Ｂが実行する膜状態判定の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、アノードガス（燃料ガス）給排系２００と、カソードガス（酸化ガス）給排系３００と、冷却装置４００と、電力出力系５００と、システム制御部６００と、を備えている。
【００１７】
燃料電池１００は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。この燃料電池１００としては、固体高分子電解質膜等の種々の電解質膜を用いた燃料電池セルで構成される燃料電池が対象となる。なお、本例では、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池を適用するものとする。また、燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０を積層したスタック構造を有するものとする。なお、燃料電池１００の各燃料電池セル１１０には、それぞれセル電圧モニター１２０が取り付けられている。各セル電圧モニター１２０は、それぞれの燃料電池セル１１０の電位を検出する。セル電圧モニター１２０は、通常、燃料電池セル１１０の隣接する燃料電池セルとの間に設けられるセパレータに取り付けられる（不図示）。各セル電圧モニター１２０の出力は、システム制御部６００のモニター制御部６２０に接続される。また、スタックの積層端部（図の例では、アノードガスおよびカソードガスの入力側）の燃料電池セル１１０（以下、特に「燃料電池セル１１０Ａ」とも呼ぶ）には、複数の面圧センサー１１７が設けられており、各面圧センサー１１７の出力は、システム制御部６００のモニター制御部６２０に接続される。
【００１８】
図２は、燃料電池セル１１０Ａの構成について示す説明図である。基本的に、燃料電池セル１１０は、膜電極接合体１１３をセパレータ１１６で挟持した構成を有している。ＭＥＡ１１３は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１と、電解質膜１１１のアノード側の面上に形成された触媒電極（「アノード側触媒電極」とも呼ぶ）１１２ａと、電解質膜１１１のカソード側の面上に形成された触媒電極（「カソード側触媒電極」とも呼ぶ）１１２ｃとで構成される。ＭＥＡ１１３とセパレータ１１６との間には、アノード側およびカソード側に、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）１１４ａ，１１４ｃとガス流路部１１５ａ，１１５ｃが設けられている。
【００１９】
ここで、燃料電池セル１１０の積層端部に設けられた燃料電池セル１１０Ａは、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、発電領域中のカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）１１４ｃとガス流路部１１５ｃとの間で、面の上下方向に沿って複数の面圧センサー１１７が埋め込まれている。図２（Ａ）の例では、上下方向に１００ｍｍの長さを有する発電領域に対応するガス拡散層１１４ｃの左右中心領域でガス流路部１１５ｃ側に面する領域に、１０ｍｍ角の面圧センサー１１７が上下方向に沿って１０個敷き詰めて埋め込み配置されている場合を示している。一方、図２（Ｂ）の例では、上下方向に１００ｍｍの長さを有する発電領域に対応するガス流路部１１５ｃの左右中心領域でガス拡散層１１４ｃ側に面する領域に、１０ｍｍ角の面圧センサー１１７が上下方向に沿って１０個敷き詰めて埋め込み配置されている場合を示している。
【００２０】
面圧センサー１１７としては、例えば、静電容量の電気特性を利用して圧力を測定する静電容量方式のものが利用可能である。この方式の面圧センサーを用いた場合、例えば、図２のように配置して一定の加圧力、例えば、１ＭＰａで全体を締結固定した場合には、電解質膜１１１に変形がなく平らな場合には、各面圧センサー１１７には１ＭＰａの面圧が加わる。このとき、電解質膜１１１が変形して積層方向に変形したとすると、アノードとカソードの電極間のギャップが変化し、その結果として生じる電極間の静電容量が変化するため、面圧センサー１１７は、この静電容量の変化を圧力の変化に換算して、圧力変化を測定することができる。従って、図２のように、面圧センサー１１７を複数個上下方向に沿って配置することにより、電解質膜１１１の膜変形を面圧の変化（上昇）として捉えることができ、電解質膜１１１の面内の上下方向に沿った圧力分布をモニタリングすることができる。
【００２１】
なお、電解質膜の変形を面圧センサーで検知するためには、できる限り電解質膜に近い位置に面圧センサーが配置されるほうが好ましいが、膜変形を阻害するほど近い位置に配置することは好ましくない。このことから、上記したように、面圧センサーを配置する位置は、ガス拡散層とガス流路部との間が好ましく、いずれの部材中に埋め込んでも良い。本例では、図２（Ａ）のようにガス拡散層１１４ｃに埋め込むものとする。
【００２２】
また、電解質膜の変形をできる限り詳細に知るためには、ガス入出口、流路形状等により、電解質膜の含水量に面内分布が生じるので、電解質膜全体に対応するように面圧センサーを敷き詰めて配置することが望ましい。しかしながら、面圧センサーの配置スペースや配線のスペースを考慮すると、面圧センサーの数はできる限り少ないほうが望ましい。そこで、面圧センサーの配置は、可能な限り上下方向（縦方向）か左右方向（横方向）に広く配置するのが好ましい。本例では、図２に示すように、発電領域の左右中心領域に上下方向に１０ｍｍ角の面圧センサー１１７を敷き詰め配置するものとしている。ただし、斜め方向に配置したり、上下方向と横方向とを組み合わせたり、斜め方向を組み合わせてクロス方向に配置するようにしてもよい。
【００２３】
また、積層した複数の燃料電池セルのいずれに面圧センサーが配置されていても良いが、電解質膜の変形が起こり易い位置の燃料電池セルに配置するのが好ましい。すなわち、電解質膜の含水量が多くなる燃料電池セルに配置するのが好ましく、図２に示した本例のように、積層端部の燃料電池セルに配置するのが好ましい。
【００２４】
また、本実施例では、カソード側に面圧センサーを配置する例を示しているが、アノード側に面圧センサーを配置しても良い。ただし、電解質膜の変形が起こり易い位置に置くのが好ましく、図２に示した本例のように、カソード側に配置する方が好ましい。
【００２５】
アノードガス給排系２００（図１）は、水素供給源２１０と、流量調整部２２０と、加湿調整部２３０、背圧調整バルブ２４０と、気液分離部２５０と、切換部２６０とを備える。このアノードガス給排系２００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のアノード（以下、「燃料電池１００のアノード」と略す）に、水素供給源２１０から、配管２７０ａ、流量調整部２２０、配管２７０ｂ、加湿調整部２３０、および、配管２７０ｃを介して、燃料ガスである水素をアノードガスとして供給する。この際、水素供給源２１０は、水素をシステム制御部６００からの指示に従った圧力で流量調整部２２０へ向けて送り出す。また、流量調整部２２０は、システム制御部６００からの指示に従った流量でアノードガス（水素）を燃料電池１００のアノードへ供給する。なお、水素供給源２１０としては、例えば、高圧水素が貯蔵された水素タンクと圧力調整弁を用いて構成することができる。
【００２６】
また、アノードガス給排系２００は、燃料電池１００のアノードから排出されたアノードオフガスを、配管２７０ｄ、背圧調整バルブ２４０、配管２７０ｅ、気液分離部２５０、配管２７０ｆ、切換部２６０、および、配管２７０ｇを介して、後述するカソードオフガスとともに、後述する排気口３６０から排出する。この際、背圧調整バルブ２４０は、システム制御部６００の動作制御部６１０からの指示に従って、バルブの開閉量を調整することにより、燃料電池１００のアノードを流れるアノードガス（水素）の圧力を調整する。また、アノードガス給排系２００は、アノードオフガスを、切換部２６０および配管２７０ｈを介して配管２７０ａに戻し、再びアノードガスとして循環させる。なお、アノードオフガスは、電気化学反応に供された後のアノードガス、すなわち、燃料ガス（水素）である。この際、気液分離部２５０は、アノードオフガスとともに排出される水分を分離する。アノードオフガスを排気口３６０から排出するか循環させるかは、システム制御部６００のステップＳ６１０からの指示に従って切換部２６０によって制御される。なお、配管２７０ｃには、圧力計２８０が接続されており、燃料電池１００のアノードに供給されるアノードガスの圧力Ｐａを計測することができ、その出力は、システム制御部６００のモニター制御部６２０に接続される。
【００２７】
カソードガス給排系３００は、吸気口３１０と、コンプレッサ３２０と、流量調整部３３０と、加湿調整部３４０と、背圧調整バルブ３５０と、排気口３６０とを備える。このカソードガス給排系３００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のカソード（以下、「燃料電池１００のカソード」と略す）に、吸気口３１０、配管３７０ａ、コンプレッサ３２０、配管３７０ｂ、流量調整部３３０、配管３７０ｃ、加湿調整部３４０、および、配管３７０ｄを介して、酸化ガスである酸素を含む空気をカソードガスとして供給する。この際、コンプレッサ３２０は、吸気口３１０から取り込む空気をシステム制御部６００の動作制御部６１０からの指示に従った圧力で流量調整部３３０へ向けて送り出す。また、流量調整部３３０は、動作制御部からの指示に従った流量でカソードガスを燃料電池１００のカソードへ供給する。
【００２８】
また、カソードガス給排系３００は、燃料電池１００のカソードから排出されたカソードオフガスを、配管３７０ｅ、背圧調整バルブ３５０、および、配管３７０ｆを介して排気口３６０から排出する。なお、配管３７０ｄには、圧力計３８０が接続されており、燃料電池１００のカソードへ供給されるカソードガスの圧力Ｐｃを計測することができ、その出力は、システム制御部６００のモニター制御部に接続される。
【００２９】
冷却装置４００は、２つの配管４１０ａ，４１０ｂを介して燃料電池１００に接続されており、配管４１０ａを介して、冷却媒体を供給し、配管４１０ｂを介して、冷却に供された後の冷却媒体を受け取ることにより、冷却媒体を循環させて、燃料電池１００の冷却を実行する。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができる。
【００３０】
電力出力系５００は、電力出力制御部５１０と、駆動用出力回路や、補機用出力回路と、蓄電用出力回路等の図示しない回路によって動作する負荷５２０を備える。電力出力制御部５１０は、システム制御部６００の動作制御部６１０からの指示に従って、負荷５２０に対して、燃料電池１００から出力される電力を制御する。なお、負荷５２０としては、駆動用出力回路によって制御されるモーターや、補機用出力回路によって制御される燃料電池システム１０を動作させるために必要な電力、例えば、電力出力系５００やシステム制御部６００の電源、コンプレッサ、切替部、冷却装置等の種々の装置、蓄電用出力回路によって制御される蓄電池など、種々の燃料電池の電力を利用する全てのものが考えられる。
【００３１】
システム制御部６００は、動作制御部６１０と、モニター制御部６２０と、膜状態判定部６３０と、記憶部６４０と、を備え、燃料電池システム１０の動作を制御する。動作制御部６１０は、実際に燃料電池システムの各構成要素に指示を与えて、その動作を実際に制御する機能ブロックである。モニター制御部６２０は、各構成要素からの出力を受け取り、対応する機能ブロックに受け渡す機能ブロックである。膜状態判定部６３０は、後述するように燃料電池セル１１０に含まれる電解質膜の変形の状態を判定する機能ブロックである。記憶部６４０は、６２０モニター制御部６２０が受け取った各種出力を記憶する機能ブロックであり、不揮発性のメモリが用いられる。アラーム通知部６５０は、後述するように、膜状態判定部６３０の判定結果に基づいてアラームを発生することにより、ユーザーに膜の交換時期を通知する。
【００３２】
Ａ２．膜状態判定：
まず、本例において、永久歪（膜シワ）とガスリークとの関係について試験した結果について説明する。図３は、電解質膜１１１の永久歪(膜シワ)とガスリークの増加量との関係について調べた実験結果を示す説明図である。図３は、図２（Ａ）に示した燃料電池セル１１０Ａと同様の構造を有する複数種類のモジュールを用意して、以下に示す条件にて、クロスリーク量と電解質膜の永久歪（膜シワ）との関係、また、そのときの面圧センサー１１７の状態を解析したものである。
［試験条件］
１）各モジュールについて、それぞれ乾湿サイクルを８００回行なった後の膜の永久歪（膜シワ）の数をカウントする。
２）面圧センサー１１７が配置されている上下方向１００ｍｍ左右方向１０ｍｍの中での膜シワの数をカウントする。
３）面圧センサー１１７の圧力の指示値（実際には静電容量であり、圧力はその換算値）は初期値１ＭＰａとなるようにモジュールを締結し、圧力指示値が２ＭＰａを超えた場合を面圧値上昇とする。すなわち、本例では、変形検知圧力閾値（「シワ検知閾値」とも呼ぶ）Ｐｔｈを２ＭＰａとする。
【００３３】
上記条件で複数のモジュールの膜シの数とガスリークの増加量との関係を調べた結果、図４の結果を得た。図４に示すように、膜シワの数が１０個程度を境に膜シワの数の増加に応じてガスリーク量が増加していくことがわかった。すなわち、膜シワの数が多い電解質膜ではガスリーク量が多くなる結果が得られた。これは、膜シワの部分では膜圧が薄くなってガスリークしやすくなるためであり、膜シワの数が増加することで、ガスリーク量が増加するからと考えられる。そして、膜シワの数が３０個以上では、ガスリーク量が急激に多くなる結果が得られた。膜シワの数がさらに増大すると、膜厚が薄くなるだけでなく、乾燥した状態での膜の引張応力が大きくなるために電解質膜が裂けやすくなる。このため、電解質膜が裂けた部分では発生するガスリークが急激に増加するものと考えられる。
【００３４】
また、膜シワの数と、面圧センサー１１７の圧力指示値が変形検知圧力閾値Ｐｔｈ＝２ＭＰａを超える、すなわち、面圧上昇となる面圧センサー１１７との関係を調べてみると、膜シワの数が１０個程度の場合には、面圧上昇する面圧センサー１１７の数は１０個のうち５〜６個であった。また、膜シワの数が３０個以上の場合には、面圧上昇する面圧センサー１１７の数は全て、すなわち、１０個であった。以上の結果から、膜シワによるクロスリーク発生してクロスリーク量が増大していく境界として、面圧上昇する面圧センサー１１７の数（変形検知数閾値）Ｎｔｈを本例では８個とすればよいことがわかった。すなわち、１０個の面圧センサー１１７のうち面圧上昇した（２ＭＰａ以上となった）数がＮｔｈ＝８を越えた場合に、クロスリークリークが発生して増加し、発電性能が劣化することが予想される。
【００３５】
なお、上記の試験結果は本実施例に対応した結果であって、これに限定されるものではなく、膜の種類、締結条件、面圧センサーの数や配置条件、動作環境等に応じて、変形検知圧力閾値Ｐｔｈおよび変形検知数閾値Ｎｔｈは変化するものである。
【００３６】
以上説明した試験結果を基に、本例の燃料電池システム１０では、システム制御部６００の膜状態判定部６３０が、以下で説明する電解質膜の膜状態判定を実行する。図４は、膜状態判定部６３０が実行する膜状態判定の手順を示すフローチャートである。
【００３７】
まず、膜状態判定部６３０は、例えば、燃料電池の起動時等、発電動作を開始する前に実行するようにすれば、通常の発電動作に与える影響を低減することができる。この膜状態判定は、モニター制御部６２０から受け取られるデータを基に、動作制御部６１０を介して、燃料電池システム１０の各構成要素の動作を制御することにより、実行される。まず、暖気運転制御を実行する（ステップＳ１１０）。このとき、動作制御部６１０を介して、流量調整部２２０，３３０、コンプレッサ３２０、加湿調整部２３０，３４０、背圧調整バルブ２４０，３５０、気液分離部２５０の動作を制御することにより、燃料電池１００内に反応ガスとしてドライガスを送気し、ＭＥＡ１１３が乾燥状態となるように、膜湿度制御を実行する（ステップＳ１２０）。この乾燥状態は、通常の発電における電解質膜１１１の含水量の許容範囲よりも少なくなる状態とする。より具体的には、含水量に応じて変化する一時的収縮の影響を無視できる程度に低湿度な状態とするのが好ましい。本例では、膜湿度が３０％ＲＨ以下となるように制御することとする。なお、通常、電解質膜の直接の湿度を求めることは困難である。そこで、通常は、予め、燃料電池に供給する反応ガスの加湿温度、流量、圧力、温度等の動作条件と膜湿度との関係を実験的に求めておくことにより、これらの条件を、膜湿度が上記３０％ＲＨ以下となる動作条件で動作させることにより、設定することが可能である。
【００３８】
次に、面圧測定制御を実行し、モニター制御部６２０で受け取られる各面圧センサー１１７の指示値を取得し、各面圧センサー１１７の圧力を測定する（ステップＳ１３０）。そして、膜判定状態を実行する。具体的には、まず、面圧がシワ検知閾値（本発明の「変形検知圧力閾値」に相当する）Ｐｔｈを越えた値を示す面圧センサー１１７の数Ｋをカウントし（ステップＳ１４０）、カウント数Ｋがシワ検知数閾値（本発明の「変形検知数閾値」に相当する）Ｎｔｈよりも多いか少ないか判断する（ステップＳ１５０）。このとき、カウント数Ｋ＞Ｎｔｈの場合には、アラーム通知部６５０によりアラームを発生させて、永久歪（膜シワ）が増加してクロスリーク量が増加し、発電性能が劣化することが予想される時期であることをユーザーに通知する。そして、膜状態判定動作を終了する。一方、カウント数Ｋ≦Ｎｔの場合には、永久歪（膜シワ）はまだ少なく、発電性能に問題はないと判断し、膜状態判定動作を終了する。なお、本例では、図３の試験結果に基づき、Ｐｔｈ＝２ＭＰａ、Ｎｔｈ＝８個として膜状態判定動作を実行する。
【００３９】
以上説明したように、本例では、燃料電池セル１１０の電解質膜１１１の面に沿って設けられている面圧センサー１１７が変形検知圧力閾値Ｐｔｈを越えた数を測定し、この数に応じて、クロスリーク量が増大し、発電性能が劣化する時期を予期することが可能である。これにより、クロスリークを測定しなくても、燃料電池１００の交換時期をユーザーに認識させることが可能である。
【００４０】
また、本実施例では、電解質膜の状態を乾燥状態として、電解質膜の吸水による一時的膨潤を抑制した状態で、永久歪のみの増加を検知することができる。
【００４１】
また、本実施例では、面圧測定により電解質膜の永久歪（膜シワ）を検知するので、暖気運転制御および乾燥状態制御の後は、燃料電池に反応ガスを流して、発電を行なう必要が無く、燃料の無駄を低減することができる、という効果もある。
【００４２】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
図５は、第２実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム２０は、システム制御部６００の膜状態判定部６３０Ｂの動作が異なる点、これに応じてアラーム通知部６５０を省略し、システム制御部６００内にクロスリーク測定部６６０を備えている点が、第１実施例の燃料電池システム１０と異なっている。また、クロスリーク測定部６６０によってクロスリークの測定を実行するために、コンプレッサ３２０と流量調整部３３０との間の配管３７０ｂの中間に切換部３２５が設けられ、配管３７０ｂ２を介して窒素供給源３１５が切換部３２５に接続されている点が異なっている。そこで、本実施例では、上記相違点についてのみ説明を加えることとする。
【００４３】
窒素供給源３１５としては、例えば、高圧窒素が貯蔵された窒素タンクと圧力調整弁を用いて構成することができる。そして、後述するように、クロスリーク測定部６６０によってクロスリークを測定する際には、流量調整部３３０に対して、窒素供給源３１５に接続される配管３７０ｂ２が接続されるように、動作制御部６１０からの指示に従って切換部３２５が切り換えられ、燃料電池１００のカソードガスとして不活性ガスである窒素が供給される。
【００４４】
Ｂ２．膜状態判定：
図６は、膜状態判定部６３０Ｂが実行する膜状態膜状態判定の手順を示すフローチャートである。図４に示した第１実施例における膜状態判定の手順と同様に、暖気運転制御（ステップＳ１１０）、膜湿度制御（ステップＳ１２０を実行後、面圧測定制御を実行し、モニター制御部６２０で受け取られる各面圧センサー１１７の指示値を取得し、各面圧センサー１１７の圧力を測定する（ステップＳ１３０）。そして、膜判定状態を実行し、面圧がシワ検知閾値Ｐｔｈを越えた値を示す面圧センサー１１７の数Ｋをカウントし（ステップＳ１４０）、カウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈよりも多いか少ないか判断する（ステップＳ１５０）。このとき、カウント数Ｋ＞Ｎｔｈの場合には、永久歪（膜シワ）が増加してクロスリーク量が増加し、発電性能が劣化することが予想される時期であると判断できるので、クロスリーク測定部６６０が実行するクロスリークの測定頻度の設定を増加させる(ステップＳ１６０Ｂ)。そして、膜状態判定動作を終了する。一方、カウント数Ｋ≦Ｎｔの場合には、永久歪（膜シワ）はまだ少なく、発電性能に問題はないと判断し、そのまま膜状態判定動作を終了する。なお、本例においても、図３の試験結果に基づき、Ｐｔｈ＝２ＭＰａ、Ｎｔｈ＝８個として膜状態判定動作を実行する。
【００４５】
クロスリーク測定部６６０によるクロスリーク測定は、燃料電池セル１１０のセル電位の変化を測定することにより簡単に測定することができる。なお、セル電位を測定することによりクロスリーク量を測定する方法は、本願の出願人によって特許公報第４２２２０１９号に開示されているので、ここではその説明を省略する。
【００４６】
本実施例においても、第１実施例と同様に、燃料電池セル１１０の電解質膜１１１の面に沿って設けられている面圧センサー１１７が変形検知圧力閾値Ｐｔｈを越えた数を測定し、この数に応じて、クロスリーク量が増大し、発電性能が劣化する時期を予期することが可能である。
【００４７】
また、本実施例では、電解質膜の状態を乾燥状態として、電解質膜の吸水による一時的膨潤を抑制した状態で、永久歪のみの増加を検知することができる。
【００４８】
さらにまた、本実施例では、面圧測定により電解質膜の永久歪（膜シワ）を検知するので、暖気運転制御および乾燥状態制御の後は、燃料電池に反応ガスを流して、発電を行なう必要が無く、燃料の無駄を低減することができる、という効果もある。
【００４９】
また、本実施例では、特に、シワ検知閾値Ｐｔｈを超えた面圧センサー１１７のカウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを越えた場合に、クロスリーク量の測定頻度を増加させることにより、クロスリーク量の増加の状況をより詳細に測定することができるので、発電性能の劣化により燃料電池１００を交換すべき時期をより精度よく判断することが可能となる。
【００５０】
また、逆に、カウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを超えるまでの間におけるクロスリークの測定の必要性は低いと言える。そこで、カウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを超えるまでの間における無駄なクロスリークの測定頻度を低減させることができ、ユーザーの利便性を向上させることができる。
【００５１】
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【００５２】
例えば、上記実施例では、燃料電池１００を構成する複数の燃料電池セル１１０のうち、積層端部に設けられた燃料電池セル１１０Ａにのみ面圧センサーを備える構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、複数の燃料電池セルのうち、例えば、積層両端と積層中心の３箇所に設けるようにしてもよく、全ての燃料電池セルに設けるようにしてもよい。
【００５３】
また、上記第１実施例は、シワ検知閾値Ｐｔｈを超えた面圧センサー１１７のカウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを越えた場合に、ユーザーにアラームを通知する場合を例に説明した。さらにまた、第２実施例では、シワ検知閾値Ｐｔｈを超えた面圧センサー１１７のカウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを越えた場合に、クロスリークの測定頻度を増加させる場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではない。シワ検知閾値Ｐｔｈを超えた面圧センサー１１７のカウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを越えた場合には、電解質膜の永久歪が増加して、クロスリーク量が増大することが予期される時期であることが少なくとも検出できることが重要であり、これを検知すれば、上記実施例以外にもいろいろな制御のトリガーとすることが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…燃料電池セル
１１０Ａ…燃料電池セル
１１１…電解質膜
１１４ａ…ガス拡散層
１１４ｃ…ガス拡散層
１１５ａ…ガス流路部
１１５ｃ…ガス流路部
１１６…セパレータ
１１７…面圧センサー
１２０…セル電圧モニター
１７０…面圧センサー
２００…アノードガス給排系
２１０…水素供給源
２２０…流量調整部
２３０…加湿調整部
２４０…背圧調整バルブ
２５０…気液分離部
２６０…切換部
２７０ａ…配管
２７０ｂ…配管
２７０ｃ…配管
２７０ｄ…配管
２７０ｅ…配管
２７０ｆ…配管
２７０ｇ…配管
２７０ｈ…配管
２８０…圧力計
３００…カソードガス給排系
３１０…吸気口
３１５…窒素供給源
３２０…コンプレッサ
３２５…切換部
３３０…流量調整部
３４０…加湿調整部
３５０…背圧調整バルブ
３６０…排気口
３７０ａ…配管
３７０ｂ…配管
３７０ｃ…配管
３７０ｄ…配管
３７０ｅ…配管
３７０ｆ…配管
３７０ｂ２…配管
３８０…圧力計
４００…冷却装置
４１０ａ…配管
４１０ｂ…配管
５００…電力出力系
５１０…電力出力制御部
５２０…負荷
６００…システム制御部
６１０…動作制御部
６２０…モニター制御部
６３０…膜状態判定部
６３０Ｂ…膜状態判定部
６４０…記憶部
６５０…アラーム通知部
６６０…クロスリーク測定部
【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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