(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層されるとともに、供給される燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電し、且つ供給される冷却媒体により冷却される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックの制御方法であって、
前記燃料電池の負荷電流を変化させた際、実測された締め付け荷重に対応する、前記シール部材に前記積層方向に付与される負荷荷重、作動圧に基づく前記積層方向の作動圧荷重及び膜荷重の関係を、テーブルに記憶する工程と、
複数の前記燃料電池に積層方向に付与される前記締め付け荷重を測定する工程と、
前記テーブルを用い、測定された前記締め付け荷重に基づいて前記膜荷重を求める工程と、
前記膜荷重から前記電解質膜の含水量を算出する工程と、
算出された前記含水量及び前記冷却媒体の温度に基づいて、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量、前記冷却媒体の流量又は発電量の少なくともいずれかを調整する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の制御方法において、前記燃料電池スタックは、複数の前記燃料電池の積層方向両端に一対のエンドプレートを配設し、前記一対のエンドプレートは、互いの離間距離を保持して一体に固定されるとともに、
前記一対のエンドプレート間には、複数の荷重センサを設ける荷重測定機構が配設されることを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層される燃料電池を備えるとともに、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）が、セパレータによって挟持された単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタック等として使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックでは、所望の発電性能を得るとともに、所望のシール機能を発揮させるために、燃料電池内部の状態、例えば、温度分布、電流密度分布又は水分布等を把握する必要がある。特に、燃料電池内部のＭＥＡの含水量は、発電性能及び耐久性に影響し易く、燃料電池の運転中や停止中にも、含水量を正確に把握することが望まれている。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する膜電極接合体を導電性のセパレータを介して複数積層し、積層体を両側から定寸に締結した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することによって前記燃料電池スタックを運転する運転手段と、前記運転手段による前記運転中に、前記膜電極接合体における面内の荷重分布を推定する荷重分布推定手段と、前記膜電極接合体の表面を複数の領域に分けて、各領域に対して個別に荷重を掛ける荷重付与手段と、前記荷重分布推定手段により得られた荷重分布に基づいて前記荷重付与手段を制御して、前記膜電極接合体における面内の荷重分布の偏りを低減する分布偏り低減手段とを備えている。
【０００５】
そして、荷重分布推定手段は、燃料電池スタックの要求電流、前記燃料電池スタックの温度、燃料ガスの供給圧力及び酸化剤ガスの供給圧力のうちの少なくとも１つである運転パラメータを検出するパラメータ検出手段を備えている。これにより、燃料電池の運転状態に関わらず、膜電極接合体の面内における荷重分布を均一とすることができる、としている。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、電解質膜の両面を一対の触媒層で挟んだ膜−電極接合体を有し、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、第１の周波数領域における前記燃料電池のインピーダンスであって前記電解質膜の抵抗に対応する第１のインピーダンス、及び前記第１の周波数領域よりも低周波の領域である第２の周波数領域における前記燃料電池のインピーダンスである第２のインピーダンスをそれぞれ算出するインピーダンス算出部と、前記第２のインピーダンスと前記第１のインピーダンスとの差である差分インピーダンスを用いて、前記燃料電池の含水量を算出する含水量算出手段とを備えている。これにより、燃料電池内の乾燥度合をより的確に把握することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−３０５６８６
【特許文献２】特開２０１０−１６５４６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１及び特許文献２では、特殊なセンサ類が必要であるとともに、装置が大型且つ複雑なものになるという問題がある。しかも、常時、リアルタイムで計測を行うことができないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、膜含水量を正確に推定することができ、しかも該膜含水量に基づいて燃料電池の運転制御が良好に遂行可能な燃料電池スタックの制御方法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】
【００１３】
本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層されるとともに、供給される燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電し、且つ供給される冷却媒体により冷却される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックの制御方法に関するものである。
【００１４】
この制御方法では、燃料電池の負荷電流を変化させた際、実測された締め付け荷重に対応する、シール部材に積層方向に付与される負荷荷重、作動圧に基づく前記積層方向の作動圧荷重及び膜荷重の関係を、テーブルに記憶する工程と、複数の前記燃料電池に積層方向に付与される締め付け荷重を測定する工程と、前記テーブルを用い、測定された前記締め付け荷重に基づいて前記膜荷重を求める工程と、前記膜荷重から前記電解質膜の含水量を算出する工程と、算出された前記含水量及び前記冷却媒体の温度に基づいて、燃料ガス及び酸化剤ガスの流量、冷却媒体の流量又は発電量の少なくともいずれかを調整する工程とを有している。
【００１５】
さらにまた、この制御方法では、燃料電池スタックは、複数の燃料電池の積層方向両端に一対のエンドプレートを配設し、前記一対のエンドプレートは、互いの離間距離を保持して一体に固定されるとともに、前記一対のエンドプレート間には、複数の荷重センサを設ける荷重測定機構が配設されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の燃料電池に積層方向に付与される締め付け荷重の変動から、電解質膜の含水量が算出されるため、燃料電池スタックの状態、例えば、運転中や停止中に関わらず、前記電解質膜の含水量を正確且つ確実に推定することが可能になる。
【００１７】
これにより、簡単な工程で、膜含水量を正確に推定することができ、電解質膜・電極構造体を効率的な状態に維持することが可能になる。従って、発電性能の向上を図るとともに、耐久劣化を抑制することができ、膜含水量に基づいて燃料電池の運転制御が良好に遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池スタックの概略説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池の、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】セル厚と膜荷重特性との関係説明図である。
【図６】膜含水量と膨潤量との関係説明図である。
【図７】膜荷重と膜含水量との関係説明図である。
【図８】作動圧荷重と締め付け荷重の変動量との関係説明図である。
【図９】締め付け荷重と分担荷重との関係説明図である。
【図１０】締め付け荷重から膜荷重を算出するための説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックの運転時における前記制御方法を説明するフローチャートである。
【図１２】前記燃料電池スタックの停止時における前記制御方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池スタック１０は、車載用燃料電池システム１２に組み込まれる。この燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１０に、燃料ガスである水素ガス（水素含有ガス）を供給するための水素供給装置１４と、酸化剤ガスである空気（酸素含有ガス）を供給するための空気供給装置１６と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８と、全体の制御を行うＥＣＵ（制御装置）２０と、前記燃料電池スタック１０から充電されるとともに、負荷に電力を供給可能な蓄電装置、例えば、バッテリ２１とを備える。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池２２が矢印Ａ方向（鉛直方向）に積層された積層体２４を備える。積層体２４の積層方向下端（一端）には、第１ターミナルプレート２５ａ、第１絶縁プレート２６ａ及び第１エンドプレート２８ａが積層される。
【００２１】
図１及び図２に示すように、積層体２４の積層方向上端（他端）には、第２ターミナルプレート２５ｂ、第２絶縁プレート２６ｂ、荷重測定機構３０及び第２エンドプレート２８ｂが積層される。第２エンドプレート２８ｂには、加圧機構３２が設けられる。なお、積層体２４は、複数の燃料電池２２を水平方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に積層して構成してもよい。
【００２２】
図３及び図４に示すように、燃料電池２２は、電解質膜・電極構造体３４が、第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８に挟持される。第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータ等により構成される。
【００２３】
図３に示すように、燃料電池２２の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、及び燃料ガスである水素ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４２ａが、矢印Ｃ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００２４】
燃料電池２２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２５】
燃料電池２２の矢印Ｃ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４４ａ、及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４４ｂが設けられる。
【００２６】
第１セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３４に向かう面３６ａには、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。
【００２７】
第２セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３４に向かう面３８ａには、燃料ガス入口連通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔４２ｂとに連通する燃料ガス流路４８が設けられる。
【００２８】
互いに隣接する燃料電池２２を構成する第１セパレータ３６の面３６ｂと、第２セパレータ３８の面３８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４４ａと冷却媒体出口連通孔４４ｂとを連通する冷却媒体流路５０が設けられる。
【００２９】
第１セパレータ３６の面３６ａ、３６ｂには、第１シール部材５２が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ３８の面３８ａ、３８ｂには、第２シール部材５４が、一体的に又は個別に設けられる。
【００３０】
第１シール部材５２及び第２シール部材５４は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００３１】
電解質膜・電極構造体３４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５６と、前記固体高分子電解質膜５６を挟持するカソード側電極５８及びアノード側電極６０とを備える。
【００３２】
カソード側電極５８及びアノード側電極６０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５６の両面に形成されている。
【００３３】
図１に示すように、例えば、アルミニウム製の第１エンドプレート２８ａ及び第２エンドプレート２８ｂ間には、複数本の連結バー６１が架け渡され、前記第１エンドプレート２８ａ及び前記第２エンドプレート２８ｂ間の距離が一定に保持される。連結バー６１は、例えば、アルミニウム製の長尺な板状を有し、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック１０の短辺側に１本ずつ配設される。連結バー６１は、第１エンドプレート２８ａ及び第２エンドプレート２８ｂの側部にねじ６２を介して固定される。
【００３４】
第１エンドプレート２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、燃料ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体入口連通孔４４ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、燃料ガス出口連通孔４２ｂ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂに連通し、外部に延在するマニホールド（図示せず）が設けられる一方、第２エンドプレート２８ｂは、これら及びシール部材を削除した平板状に構成される。
【００３５】
図２に示すように、荷重測定機構３０は、第２絶縁プレート２６ｂに載置される加圧板６４を備え、前記加圧板６４には、例えば、四隅近傍にそれぞれ矩形状の凹部６６が形成される。荷重測定機構３０は、枠形状の連結部材６８と、前記連結部材６８の四隅にナット７０を介して固定される荷重センサ、例えば、ロードセル７２とを備える。
【００３６】
連結部材６８には、各ロードセル７２の近傍に底面が球面を有する球面状凹部７４が設けられる。各ロードセル７２には、押圧部材７６が装着されるとともに、前記押圧部材７６は、加圧板６４の各凹部６６に配置される。
【００３７】
加圧機構３２は、複数、例えば、４つの荷重調整ボルト７８を備える。各荷重調整ボルト７８は、第２エンドプレート２８ｂに形成されたねじ孔７９にねじ込まれるとともに、各々の球面状先端部７８ａは、連結部材６８の各球面状凹部７４に配置される。各荷重調整ボルト７８の中心と、各ロードセル７２の中心とは、互いに位置がずれている。
【００３８】
図１に示すように、水素供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク８０を備え、この水素タンク８０が水素供給路８２に配置される。水素供給路８２は、燃料電池スタック１０の燃料ガス入口連通孔４２ａに連通するとともに、減圧弁８４及びエゼクタ８６を配設する。
【００３９】
水素供給装置１４は、燃料電池スタック１０の燃料ガス出口連通孔４２ｂに連通する水素循環路（循環配管）８８を備え、前記水素循環路８８は、気液分離器９０を介装してエゼクタ８６に連通する。エゼクタ８６は、水素循環路８８を構成する配管部８８ａに配置される。
【００４０】
気液分離器９０の下部には、ドレイン配管８８ｂが接続されるとともに、前記ドレイン配管８８ｂにドレイン弁９２が配設される。配管部８８ａの途上には、排気配管部８８ｃが接続され、前記排気配管部８８ｃには、開閉弁９４を介して希釈器９６が接続される。
【００４１】
空気供給装置１６は、エアポンプ９８を備える。このエアポンプ９８が接続される空気供給路１００は、加湿器１０２を介装して燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する。
【００４２】
空気供給装置１６は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに連通する空気排出路１０４を有する。空気排出路１０４は、加湿器１０２を介装して車外に延在するとともに、希釈配管１０４ａが分岐する。希釈配管１０４ａは、開閉弁１０６を介して希釈器９６に接続される。加湿器１０２は、空気排出路１０４に排出される使用済みの加湿空気と、空気供給路１００に導入される新たな空気との間で、水交換を行うことにより、この新たな空気を加湿する。
【００４３】
冷却媒体供給装置１８は、ラジエータ１０８を備える。ラジエータ１０８には、冷却媒体循環路１１０が接続されるとともに、前記冷却媒体循環路１１０は、燃料電池スタック１０の冷却媒体入口連通孔４４ａ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂに両端が接続される。この冷却媒体循環路１１０には、冷媒ポンプ１１２が介装される。
【００４４】
水素供給装置１４、空気供給装置１６及び冷却媒体供給装置１８には、それぞれ所定の状態を検出するためのセンサ１１４ａ、１１４ｂ及び１１４ｃが設けられる。例えば、センサ１１４ａは、燃料ガスの流量、湿度又は温度を検出し、センサ１１４ｂは、酸化剤ガスの流量や湿度を検出し、センサ１１４ｃは、冷却媒体の温度や流量を検出し、これらの検出信号がＥＣＵ２０に送られる。ＥＣＵ２０には、荷重センサであるロードセル７２からの荷重信号が送られ、燃料電池スタック１０全体の積層方向の締め付け荷重が検出される。
【００４５】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４６】
先ず、図１に示すように、空気供給装置１６では、エアポンプ９８の駆動作用下に、空気供給路１００に導出された圧縮空気は、加湿器１０２で加湿された後、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給される。
【００４７】
水素供給装置１４では、水素タンク８０に貯留されている高圧水素が、減圧弁８４を介して減圧されて水素供給路８２に送られる。燃料ガス（水素ガス）は、エゼクタ８６から噴出されるとともに、後述する使用済みの燃料ガスを吸引して、燃料電池スタック１０の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。
【００４８】
一方、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ１１２の作用下に、冷却媒体循環路１１０から燃料電池スタック１０の冷却媒体入口連通孔４４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４９】
このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第１セパレータ３６の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３４を構成するカソード側電極５８に供給される。
【００５０】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第２セパレータ３８の燃料ガス流路４８に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３４を構成するアノード側電極６０に供給される。
【００５１】
従って、電解質膜・電極構造体３４では、カソード側電極５８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極６０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５２】
次いで、カソード側電極５８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極６０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５３】
また、冷却媒体入口連通孔４４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４４ｂから排出される。
【００５４】
図１に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから空気排出路１０４に排出される。この酸化剤ガスは、加湿器１０２で新たな酸化剤ガスを加湿した後、車外に排出されるとともに、必要に応じて希釈配管１０４ａを通って希釈器９６に供給される。
【００５５】
一方、燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂから水素循環路８８に排出される。燃料ガスは、気液分離器９０に導入されて水分が分離除去された後、配管部８８ａからエゼクタ８６に吸引される。このため、燃料ガスは、新たな燃料ガスに混在して水素供給路８２に導入され、燃料ガスとして燃料電池スタック１０に供給される。なお、水素パージを伴う際には、開閉弁９４が開放されて燃料ガスが希釈器９６に導入される。
【００５６】
また、冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔４４ｂから冷却媒体循環路１１０に戻されるとともに、ラジエータ１０８で冷却された後、燃料電池スタック１０に循環供給される。
【００５７】
次いで、本実施形態に係る制御方法について、以下に説明する。
【００５８】
先ず、実際に運転されている燃料電池スタック１０の締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）が実測され、この締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）から電解質膜・電極構造体３４に作用する膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）が算出される。
【００５９】
具体的には、燃料電池スタック１０の内部には、作動圧に基づく積層方向の作動圧荷重Ｗ（ＯＰ）、第１シール部材５２及び第２シール部材５４に前記積層方向に付与される負荷荷重Ｗ（ＳＥＡＬ）が発生する。このため、締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）＝作動圧荷重Ｗ（ＯＰ）＋負荷荷重Ｗ（ＳＥＡＬ）＋膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）となる関係式が得られる。
【００６０】
電解質膜・電極構造体３４（特に、固体高分子電解質膜５６）は、燃料電池スタック１０の運転状態によって含水量が変化し、膨潤することで厚さ寸法が変化する。その際、電解質膜・電極構造体３４は、第１セパレータ３６と第２セパレータ３８とにより積層方向に拘束されており、図５に示すように、セル厚−膜荷重特性に沿って膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）が変化する。
【００６１】
ここで、セル厚とは、電解質膜・電極構造体３４を第１セパレータ３６と第２セパレータ３８とにより挟持した状態の厚さをいう。また、固体高分子電解質膜５６に加わる荷重と前記固体高分子電解質膜５６の厚さとの関係は、電解質膜・電極構造体３４に加わる荷重とセル厚との関係に極めて近似する。一方、ガス拡散層及び電極触媒層では、それぞれに加わる荷重に対して、それぞれの含水量に基づく厚さの変化が非常に小さい。
【００６２】
膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）が、第１膜荷重Ｗ１（ＭＥＡ）から第２膜荷重Ｗ２（ＭＥＡ）に変化した際、この荷重変化に必要なセル厚変化量は、ｔμｍとなる。そして、湿度（含水量）ｎ１％の電解質膜・電極構造体３４のセル厚が、ｔμｍだけ変化するためには、図６に示すように、（ｎ２−ｎ１）％の湿度（含水量）変化が必要となる。このため、電解質膜・電極構造体３４の膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）と前記電解質膜・電極構造体３４（特に、固体高分子電解質膜５６）の含水量とは、図７に示す関係を有する。
【００６３】
一方、作動圧荷重Ｗ（ＯＰ）の合計と締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）の変動量とは、図８に示す関係を有する。さらに、締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）における負荷荷重Ｗ（ＳＥＡＬ）と膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）との分担荷重は、図９に示す関係を有する。膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）の傾き（変動量）が大きいため、感度よく計測することができる。
【００６４】
これにより、燃料電池２２の負荷電流を変化させた際、実測された締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）に対応する作動圧荷重Ｗ（ＯＰ）、負荷荷重Ｗ（ＳＥＡＬ）及び膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）の関係が、図１０に示される。これは、テーブルとしてＥＣＵ２０のメモリに記憶される。
【００６５】
そこで、図１１に示すように、燃料電池スタック１０の運転時において、前記燃料電池スタック１０の積層方向に付与されている締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）が、荷重測定機構３０を構成する複数のロードセル７２を介して検出（実測）される（ステップＳ１）。具体的には、４箇所のロードセル７２の測定荷重を合算することにより、締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）が検出される。ＥＣＵ２０では、検出された締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）から電解質膜・電極構造体３４の膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）が算出される（ステップＳ２）。
【００６６】
さらに、膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）に基づいて、電解質膜・電極構造体３４の膜含水量が算出される（ステップＳ３）。
【００６７】
この場合、本実施形態では、複数の燃料電池２２に積層方向に付与される締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）の変動から、電解質膜・電極構造体３４の膜荷重Ｗ（ＭＥＡ）が求められ、さらに前記電解質膜・電極構造体３４の含水量が算出されている。このため、燃料電池スタック１０の状態、例えば、運転中や停止中に関わらず、電解質膜・電極構造体３４の含水量を正確且つ確実に推定することが可能になる。
【００６８】
これにより、簡単な工程で、電解質膜・電極構造体３４の膜含水量を正確に推定することができ、前記電解質膜・電極構造体３４を効率的な状態に維持することが可能になる。従って、発電性能の向上を図るとともに、耐久劣化を抑制することができ、膜含水量に基づいて燃料電池スタック１０の運転制御が良好に遂行可能になるという効果が得られる。
【００６９】
電解質膜・電極構造体３４の膜含水量が算出された後、ステップＳ４に進んで、前記膜含水量が設定目標幅内であるか否かが判断される。膜含水量が、設定目標幅内であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、膜含水量測定工程が終了する。一方、膜含水量が、設定目標幅内でないと判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ５に進む。
【００７０】
膜含水量が、設定目標幅よりも多いと判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、冷却媒体供給装置１８を構成するセンサ１１４ｃを介して冷却媒体の温度が検出され、前記冷却媒体の温度が、設定目標温度よりも低いか否かが判断される。冷却媒体の温度が、設定目標温度よりも低いと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、冷却媒体流量が減少される。
【００７１】
具体的には、図１に示すように、冷却媒体供給装置１８を構成する冷媒ポンプ１１２が制御され、燃料電池スタック１０に循環供給される冷却媒体の流量が減少される。このため、燃料電池スタック１０の内部温度が上昇し、電解質膜・電極構造体３４の膜含水量が低下する。
【００７２】
また、冷却媒体の温度が、設定目標温度よりも高いと判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ８に進む。このステップＳ８では、バッテリ２１の充電状態を監視し、このバッテリ２１の残量が目標よりも低いと判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、水素供給装置１４を構成する減圧弁８４及び空気供給装置１６を構成するエアポンプ９８が制御され、燃料電池スタック１０に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が増加される。これにより、燃料電池スタック１０の内部の水蒸気の排出水量が増加し、電解質膜・電極構造体３４の膜含水量が低下する。
【００７３】
ステップＳ８において、バッテリ２１の残量が目標よりも高いと判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進んで、燃料電池スタック１０の発電量が減少される。このため、燃料電池スタック１０の内部に生成される水分量が減少され、電解質膜・電極構造体３４の膜含水量が低下する。
【００７４】
一方、ステップＳ５において、膜含水量が、発電性能が良好となる含水量範囲である設定目標幅（例えば、０．２ｇ／ｃｍ３以上で、飽和含水量以下）よりも少ないと判断されると（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進んで、冷却媒体の温度が、設定目標温度よりも高いか否かが判断される。冷却媒体の温度が、設定目標温度よりも高いと判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、冷却媒体流量を増加させる。従って、燃料電池スタック１０内部の温度が低下し、電解質膜・電極構造体３４の膜加湿量が増加する。
【００７５】
ステップＳ１１において、冷却媒体の温度が、設定目標温度よりも低いと判断されると（ステップＳ１１中、ＮＯ）、ステップＳ１３に進む。このステップＳ１３では、バッテリ２１の残量が目標よりも高いと判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、燃料電池スタック１０に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が減少される。このため、燃料電池スタック１０内部における水蒸気の排水流量が低下し、電解質膜・電極構造体３４の膜加湿量が増加する。
【００７６】
ステップＳ１３において、バッテリ２１の残量が目標よりも低いと判断されると（ステップＳ１３中、ＮＯ）、ステップＳ１５に進んで、燃料電池スタック１０の発電量が増加される。従って、バッテリ２１への充電又は負荷への電流の供給が行われるとともに、燃料電池スタック１０の内部に生成される水分量が増加され、電解質膜・電極構造体３４の膜加湿量が増加する。
【００７７】
これにより、本実施形態では、電解質膜・電極構造体３４の膜含水量を、運転時、設定目標幅内に維持することができ、前記電解質膜・電極構造体３４にとって効率のよい状態を維持することが可能になる。従って、電解質膜・電極構造体３４の発電性能の向上を図るとともに、耐久劣化を可及的に抑制することができるという利点がある。
【００７８】
また、本実施形態では、燃料電池スタック１０の運転停止時に、膜含水量を設定目標幅内に維持した状態で停止する際にも、上記の工程に沿って（図１１に沿って）処理を行うことができる。
【００７９】
図１２は、燃料電池スタック１０の停止時（イグニッションオフ時）における制御方法を説明する他のフローチャートである。なお、図１１に示すフローチャートと同一の工程では、その詳細な説明は省略する。
【００８０】
燃料電池スタック１０の締め付け荷重Ｗ（ＡＬＬ）が検出された後（ステップＳ２１）、ステップＳ２４までの工程が、ステップＳ１〜ステップＳ４と同様に行われる。そして、膜含水量が、設定目標幅内でないと判断されると（ステップＳ２４中、ＮＯ）、ステップＳ２５に進んで、膜含水量が、設定目標幅よりも多いか否かが判断される。
【００８１】
膜含水量が、設定目標幅よりも多いと判断されると（ステップＳ２５中、ＹＥＳ）、ステップＳ２６に進んで、燃料電池スタック１０に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が増加される。このため、燃料電池スタック１０の内部の水蒸気の排出水量が増加し、電解質膜・電極構造体３４の膜含水量が低下する。
【００８２】
一方、膜含水量が、設定目標幅よりも少ないと判断されると（ステップＳ２５中、ＮＯ）、ステップＳ２７に進んで、燃料電池スタック１０が一定時間だけ発電される。これにより、発電反応により生成水が得られ、電解質膜・電極構造体３４の膜含水量が増加する。
【００８３】
従って、燃料電池スタック１０の運転停止時に、膜含水量を設定目標幅内に維持した状態で、前記燃料電池スタック１０の運転を停止することができ、固体高分子電解質膜５６の耐久性を向上させることが可能になる。
【００８４】
なお、荷重センサは、ロードセル７２に限定されるものではない。例えば、一対のエンドプレート２８ａ、２８ｂ間に渡されたバー又はボルトに歪みゲージを設けるとともに、各歪みゲージから測定される荷重の値を合算してもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１０…燃料電池スタック              １２…燃料電池システム
１４…水素供給装置                  １６…空気供給装置
１８…冷却媒体供給装置              ２０…ＥＣＵ
２２…燃料電池                      ２４…積層体
２５ａ、２５ｂ…ターミナルプレート  ２６ａ、２６ｂ…絶縁プレート
２８ａ、２８ｂ…エンドプレート      ３０…荷重測定機構
３２…加圧機構                      ３４…電解質膜・電極構造体
３６、３８…セパレータ              ４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ４２ａ…燃料ガス入口連通孔
４２ｂ…燃料ガス出口連通孔          ４４ａ…冷却媒体入口連通孔
４４ｂ…冷却媒体出口連通孔          ４６…酸化剤ガス流路
４８…燃料ガス流路                  ５０…冷却媒体流路
５６…固体高分子電解質膜            ５８…カソード側電極
６０…アノード側電極                ６１…連結バー
６４…加圧板                        ６８…連結部材
７２…ロードセル                    ７６…押圧部材
７８…荷重調整ボルト                ８０…水素タンク
８６…エゼクタ                      ８８…水素循環路
９０…気液分離器                    ９８…エアポンプ
１１２…冷媒ポンプ                  １１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ…センサ
【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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