(57)【要約】【課題】燃料電池が備える電解質膜の劣化を簡易に検出することが可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜を有する燃料電池と、燃料電池から排出される排水に含まれている、電解質膜の劣化により生じた第１の化学種に基づいて、第１の化学種の量を計測することなく、電解質膜が劣化したことを検出するための検出部と、を備える。【選択図】図１
2008198544.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、
電解質膜を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される排水に含まれている、前記電解質膜の劣化により生じた第１の化学種に基づいて、前記第１の化学種の量を計測することなく、前記電解質膜が劣化したことを検出するための検出部と、
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に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排水の排水経路に、前記第１の化学種と反応して呈色する第２の化学種が配置され、
前記検出部は、前記排水の色を視認するための可視部を有する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記検出部は、前記排水に含まれる前記第１の化学種の量に応じた特徴量を計測するための計測部を有し、
前記検出部は、前記計測部によって計測された前記特徴量に基づき、前記電解質膜が劣化したことを検出する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記特徴量は、前記排水の屈折率と、前記排水の吸光度と、のうち、少なくともいずれか一方である、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の化学種は、ベンゼンスルホン酸誘導体と、アルキルスルホン酸誘導体と、のうち、少なくともいずれか一方を含む、
燃料電池システム。
【請求項６】
電解質膜を有する燃料電池において、前記電解質膜が劣化したことを検出するための電解質膜劣化検出方法であって、
（ａ）前記燃料電池から排出される排水に含まれている、前記電解質膜の劣化により生じた第１の化学種に基づいて、前記第１の化学種の量を測定することなく、前記電解質膜が劣化したことを検出する工程
を備えることを特徴とする電解質膜劣化検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内における電解質膜の劣化の検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜をカソード電極とアノード電極とで挟んで製造されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly（膜電極接合体））と、セパレータと、を交互に積層することによって構成される。このような構成の燃料電池では、アノード側に水素を含む燃料ガスが供給され、また、カソード側には酸素を含む酸化ガスが供給されて、これら燃料ガス及び酸化ガス（反応ガス）を用いた電気化学反応によって電気エネルギーが生成される。このようにＭＥＡとセパレータとの積層構造を有する固体高分子型燃料電池として、下記特許文献１〜４に記載の燃料電池が挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５１５８５号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４９２２号公報
【特許文献３】特開２００６−２４４３７号公報
【特許文献４】特開２００５−１７４８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＥＡを構成する電解質膜としては、Nafion（登録商標）等のフッ化炭素系イオン交換膜（パーフルオロスルホン酸系膜）の他、Ｓ−ＰＥＥＫ（スルホン化ポリエーテルエーテルケトン）膜等の炭化水素系（エンジニアプラスチック系膜）のイオン交換膜が採用され得る。ここで、発電中の燃料電池では、電気化学反応で副生する過酸化水素を基としてヒドロキシルラジカルが発生する。そして、このヒドロキシルラジカルによってパーフルオロ高分子鎖や、Ｓ−ＰＥＥＫの高分子鎖が切断され、電解質膜が化学的に劣化することとなる。このように電解質膜が劣化すると、燃料電池の発電性能が低下して電池運転が不能となってしまう。そこで、従来から電解質膜の劣化を簡易に検出したいという要望があった。
【０００５】
本発明は、燃料電池が備える電解質膜の劣化を簡易に検出することが可能な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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、電解質膜を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排水に含まれている、前記電解質膜の劣化により生じた第１の化学種に基づいて、前記第１の化学種の量を計測することなく、前記電解質膜が劣化したことを検出するための検出部と、を備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明の燃料電池システムでは、電解質膜の劣化により生じた第１の化学種に基づいて、前記第１の化学種の量を計測することなく、電解質膜が劣化したことを検出するので、電解質膜の劣化を簡易に検出することができる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水の排水経路に、前記第１の化学種と反応して呈色する第２の化学種が配置され、前記検出部は、前記排水の色を視認するための可視部を有するようにしてもよい。
【０００９】
このような構成とすることで、第２の化学種が排水中の第１の化学種と反応して、排水が呈色するので、呈色した排水を可視部において視認することで、排水中に第１の化学種が含まれていることを検出することができる。このとき、第１の化学種は電解質膜の劣化により生じているので、呈色した排水の視認によって、電解質膜が劣化したことを検出することができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、前記検出部は、前記排水に含まれる前記第１の化学種の量に応じた特徴量を計測するための計測部を有し、前記検出部は、前記計測部によって計測された前記特徴量に基づき、前記電解質膜が劣化したことを検出するようにしてもよい。
【００１１】
このような構成とすることで、第１の化学種の量を直接計測することなく、第１の化学種の量に応じた特徴量を計測するので、かかる特徴量が比較的簡易に計測することが可能であれば、第１の化学種の量を直接計測する場合に比べてより簡易に電解質膜の劣化を検出することができる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、前記特徴量は、前記排水の屈折率と、前記排水の吸光度と、のうち、少なくともいずれか一方であってもよい。
【００１３】
このような構成とすることで、排水の屈折率又は吸光度を計測することで、電解質膜の劣化を簡易に検出することができる。すなわち、電解質膜の劣化によって、排水中の第１の化学種の量が増加すると、排水の屈折率及び吸光度が増加するので、計測した屈折率または吸光度によって電解質膜の劣化を検出することができる。なお、屈折率又は吸光度を計測する構成では、排水に直接接する部位を必要としないことから、排水による計測部の劣化を抑制することができる。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、前記第１の化学種は、ベンゼンスルホン酸誘導体と、アルキルスルホン酸誘導体と、のうち、少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。
【００１５】
このような構成とすることで、劣化によってベンゼンスルホン酸誘導体或いはアルキルスルホン誘導体が排水に溶出するような電解質膜を用いた場合において、かかる電解質膜の劣化を検出することができる。例えば、炭化水素系の高分子膜を電解質膜として用いた場合に、この電解質膜の劣化を検出することができる。
【００１６】
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、電解質膜劣化検出方法としても構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．第１の実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００と、水素タンク４０と、ラジエータ５０と、カソード側ドレインタンク８５と、気液分離器８８と、を備えている。燃料電池スタック１００は、積層された複数の燃料電池１０を備えている。
【００１８】
燃料電池スタック１００には、各燃料電池１０における電気化学反応に用いられる反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）と冷却媒体とが供給される。具体的には、水素タンク４０から配管２５０ａを介して燃料ガスとしての水素が燃料電池スタック１００に供給される。ここで、燃料ガスは、加湿器（図示省略）によって加湿された後に燃料電池スタック１００に供給される。これは、燃料電池１０が有する電解質膜（後述）は、湿潤環境下において高いイオン交換能力を発揮するためである。
【００１９】
電気化学反応で用いられなかった燃料ガスは、配管２５０ｂを介して配管２５０ａに戻されて再び燃料電池スタック１００に供給される。配管２５０ｂには、燃料ガスの循環のための循環ポンプ２４０が配置されている。また、配管２５０ｂには、気液分離器８８が配置されている。この気液分離器８８は、電気化学反応で用いられなかった燃料ガス中に含まれている水分を取り除く。
【００２０】
燃料電池スタック１００には、エアポンプ３１０から配管３５０ａを介して酸化ガスとしての空気が供給される。なお、酸化ガスも加湿器（図示省略）によって加湿されている。電気化学反応で用いられなかった酸化ガスは、配管３５０ｂを介して大気中に放出される。配管３５０ｂには、カソード側ドレインタンク８５が配置されている。このカソード側ドレインタンク８５は、各燃料電池１０のカソード側から排出される水を一時的に貯めるためのタンクである。なお、カソード側ドレインタンク８５には排水口（図示省略）が設けられており、貯まった排水を排出することができる。ここで、燃料電池１０のカソード側から排出される排水は、酸化ガスの加湿に用いた水と電気化学反応によって生成された水とを含む。カソード側ドレインタンク８５には、石英ガラスから成る一対の視認窓８６ａ，８６ｂが設けられている。そして、一方の視認窓８６ａの近傍には光源８０が配置されている。ユーザは、この光源８０から射出された光によって、カソード側ドレインタンク８５内に貯水されている排水の色を視認窓８６ｂから確認することができる。
【００２１】
ここで、配管３５０ｂの内部には、シメチジン７０が塗布されている。このシメチジン７０は、ベンゼンスルホン酸誘導体と呈色反応を示す化合物である。
【００２２】
燃料電池スタック１００には、ラジエータ５０から配管４５０ａを介して冷却媒体としての水が供給される。燃料電池スタック１００から排出された水は、配管４５０ｂを介してラジエータ５０に送られて再び燃料電池スタック１００に供給される。配管４５０ｂには、水の循環のための循環ポンプ４１０が配置されている。
【００２３】
図２（Ａ）は、図１に示す燃料電池１０の詳細構成を示す説明図である。燃料電池１０は、ＭＥＡ２４と、カソード側セパレータ３５と、アノード側セパレータ３６と、を備えている。カソード側セパレータ３５とアノード側セパレータ３６とは、ＭＥＡ２４を挟み込むように配置されている。ＭＥＡ２４は、電解質膜２１と、電解質膜２１の外部に形成されたカソード側触媒電極層２２及びアノード側触媒電極層２３と、カソード側触媒電極層２２の外側に形成されたカソード側拡散層３２と、アノード側触媒電極層２３の外側に形成されたアノード側拡散層３３と、を備えている。
【００２４】
電解質膜２１は、Ｓ−ＰＥＥＫを基材として生成されたイオン交換膜である。このＳ−ＰＥＥＫは、高強度・高耐熱性高分子であるエンジニアリングプラスチックにスルホン酸基を導入して得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトンから成る。
【００２５】
図２（Ｂ）は、Ｓ−ＰＥＥＫの構造式を示す説明図である。Ｓ−ＰＥＥＫは、スルホン基（―ＳＯ3Ｈ）及びベンゼン環を備えた構造を有する。このＳ−ＰＥＥＫは、燃料電池１０の発電により副生されたヒドロキシラジカル（・ＯＨ）によって、高分子鎖の一部が切断されて分解され得る。その際、分解生成物としてベンゼンスルホン酸誘導体が得られ、燃料電池１０から排出される水には、このベンゼンスルホン酸誘導体等が含まれる。
【００２６】
カソード側触媒電極層２２及びアノード側触媒電極層２３（図２（Ａ））は、触媒の白金がカーボンブラックに担持された粒子から成る。なお、触媒として白金に代えてパラジウムやイリジウム等の貴金属をはじめ、種々の金属、合金、酸化物を用いることができる。また、担持体として、微粉末状で導電性を有し、かつ、触媒に侵されないものであればよく、グラファイトやフラーレンや各種金属粉末等を用いることができる。カソード側拡散層３２及びアノード側拡散層３３はカーボンペーパーで構成されている。なお、カーボンペーパーに代えて、カーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いて構成することができる。
【００２７】
前述のように、燃料電池１０（図１）では、発電によって電解質膜２１が化学的に劣化すると、排水中にベンゼンスルホン酸誘導体が含まれることとなる。そして、配管３５０ｂ内部に塗布されたシメチジン７０は、少しずつ排水に溶出して排水中のベンゼンスルホン酸誘導体と呈色反応を起こす。それゆえ、カソード側ドレインタンク８５に貯まった排水は呈色することとなる。したがって、ユーザは、視認窓８６ｂからこの排水が呈色したことを視認することで、燃料電池１０において、電解質膜２１が劣化したことを知ることができる。なお、前述のベンゼンスルホン酸誘導体が請求項における第１の化学種に相当する。また、シメチジンが請求項における第２の化学種に、カソード側ドレインタンク８５が請求項における検出部に、視認窓８６ｂが請求項における可視部に、それぞれ相当する。
【００２８】
Ｂ．実施例：
図３は、図１に示す第１の実施形態における実施例を示す説明図である。配管３５０ｂ内部にはシメチジン７０を０．５ｇ塗布した。そして、燃料電池１０自体の温度（セル温度）を８０℃とし、バブラ温度（反応ガスの加湿温度）は９０℃とした。また、背圧を０．１ＭＰａとした。以上の条件の下で、燃料電池システム１０００において、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）運転モードで連続運転を行った。ここで、ＯＣＶ運転モードとは、電流を流していない状態で反応ガスを供給して電気化学反応を起こす運転モードをいう。図３の例では、カソード側ドレインタンク８５内の排水は、運転開始当初透明であったものが、６０時間経過後には、薄い赤色に呈色したことを視認窓８６ｂから視認することができた。このことから、電解質膜２１が化学的に劣化していることを検出した。
【００２９】
以上説明したように、燃料電池システム１０００では、カソード側の配管３５０ｂの内部にベンゼンスルホン酸誘導体と呈色反応を起こすシメチジンを塗布するようにしている。したがって、電解質膜２１の劣化によって燃料電池１０からの排水中にベンゼンスルホン酸誘導体が含まれると、排水は呈色することとなる。それゆえ、ユーザは、例えば、燃料電池システム１０００の点検時などに、カソード側ドレインタンク８５に設置された視認窓から排水が呈色しているか否かを視認することで、電解質膜２１の劣化を簡易に検出することができる。
【００３０】
Ｃ．第２の実施形態：
図４は、第２の実施形態としての燃料電池システム１０００ａの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００ａは、モノクロメータ９２と、屈折率計９４と、制御ユニット９６と、を備えている点において図１に示す燃料電池システム１０００と異なり、他の構成については、第１の実施形態と同じである。
【００３１】
モノクロメータ９２は、光源８０と視認窓８６ａとの間に設置されている。このモノクロメータ９２は、光源８０から射出された光のうち、所定の波長の光を選択して視認窓８６ａに射出する。モノクロメータ９２から射出された光は、カソード側ドレインタンク８５内に貯まっている排水を透過し、視認窓８６ｂを通って屈折率計９４に入射する。屈折率計９４は、入射した光に基づいて排水における屈折率を定期的に測定し、測定値を含む信号Ｓ１を制御ユニット９６に出力する。なお、屈折率計９４は請求項における計測部に相当し、カソード側ドレインタンク８５及び屈折率計９４及び制御ユニット９６は請求項における検出部に相当する。
【００３２】
制御ユニット９６は、ＣＰＵ９６ａと、ＲＡＭ９６ｂと、ＲＯＭ９６ｃと、を備えている。ＲＯＭ９６ｃには、電解質膜２１の劣化を検出するためのプログラムが格納されており、ＣＰＵ９６ａは、このプログラムを実行することで劣化検出部９８として機能する。劣化検出部９８は、入力した信号Ｓ１に基づいて電解質膜２１が劣化したことを検出する。具体的には、予め電解質膜２１が劣化した際の屈折率（しきい値）を実験により求めておき、ＲＯＭ９６ｃに格納しておく。そして、劣化検出部９８は、信号Ｓ１で通知された屈折率と、ＲＯＭ９６ｃに格納されているしきい値とを比較して、通知された屈折率がしきい値よりも大きければ、電解質膜２１が劣化したものと検出する。これは、電解質膜２１の劣化が起こると、ベンゼンスルホン酸誘導体が排水中に溶け出すことから、カソード側ドレインタンク８５に貯まった排水の屈折率が、電解質膜２１の劣化前に比べて増加するからである。
【００３３】
図５は、屈折率のしきい値を決定するための実験方法を概略的に示す説明図である。例えば、以下のごとく実験を行うことで、電解質膜２１の劣化を検出するために用いられる屈折率のしきい値を決定することができる。
【００３４】
図５に示す例では、Ｓ−ＰＥＥＫ膜１１０（寸法：５ｃｍ×５ｃｍ×５０μｍ）をヒドロキシラジカルを含む水溶液ＳＷに浸す工程と、水溶液ＳＷからＳ−ＰＥＥＫ膜１１０を取り出して乾燥させて寸法を計測する工程とを、繰り返し行った。そして、Ｓ−ＰＥＥＫ膜１１０の寸法が実験開始当初から５％だけ収縮した際の水溶液ＳＷの屈折率を測定して、かかる屈折率をしきい値として決定した。なお、水溶液ＳＷは、Ｆｅ２+が４ｐｐｍ、Ｈ2Ｏ2が１％含まれていた。また、水溶液ＳＷの温度は、燃料電池１０の発電環境と同じく８０℃とした。
【００３５】
上記実験とは別に、Ｓ−ＰＥＥＫ膜１１０の引っ張り（収縮）試験を行っており、Ｓ−ＰＥＥＫ膜１１０は、寸法の変化が５％未満の拡大（伸張）及び縮小（収縮）では、もとの大きさに戻ることができるが、５％以上の寸法変化が起こると、もとの大きさには戻らないことが分かっている。これは、５％以上の寸法の変化が起こると、電解質膜２１は劣化して（膜リークを起こして）もとに戻らなくなるからと考えられる。したがって、上述したように、Ｓ−ＰＥＥＫ膜１１０を水溶液ＳＷに浸してから乾燥させる実験において、Ｓ−ＰＥＥＫ膜が５％縮小した際には、膜リークが発生しているものと考えられる。それゆえ、このときの水溶液ＳＷの屈折率をしきい値として決定することができる。
【００３６】
図５の例では、Ｓ−ＰＥＥＫ膜の寸法が５％縮小した際の、水溶液ＳＷの屈折率は、１．３８であった。したがって、この場合、燃料電池システム１０００ａでは、屈折率「１．３８」が電解質膜２１の劣化を検出するために用いるしきい値として設定されることとなる。なお、この実験では、モノクロメータ９２から射出される光の波長は５８９．３ｎｍであった。また、比較例として、超純水の屈折率（１．３３）を示す。
【００３７】
以上説明したように、電解質膜２１が劣化すると、Ｓ−ＰＥＥＫの分解反応によって、燃料電池１０からの排水中にベンゼンスルホン酸誘導体が含まれることとなり、排水の屈折率が増加する。したがって、この排水の屈折率を屈折率計９４で定期的に測定することで、電解質膜２１の劣化を簡易に検出することができる。また、排水中にセンサを浸して排水中のベンゼンスルホン酸誘導体の量を直接計測する構成に比べて、排水と直接接触する部分がないことから、排水による計測器の劣化を抑制することができる。
【００３８】
なお、以上の構成において、電解質膜２１の劣化の発生を検出するだけでなく、電解質膜２１の寿命を予測することもできる。具体的には、例えば、以下のようにして行うことができる。すなわち、予め実験により、屈折率の経時変化と、電解質膜の劣化度合い（膜の寿命）と、の関係を求めてマップ化してＲＯＭ９６ｃに格納しておく。そして、劣化検出部９８は、屈折率計９４から通知される屈折率に基づいてＲＯＭ９６ｃに格納されているマップを参照して、電解質膜２１の寿命を予測することができる。
【００３９】
Ｄ．第３の実施形態：
図６は、第３の実施形態としての燃料電池システム１０００ｂの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００ｂは、光源８０及びモノクロメータ９２及び屈折率計９４の代わりに、ＵＶ（紫外線）吸収センサ９５を備えている点において、図４に示す燃料電池システム１０００ａと異なり、他の構成については、第２の実施形態と同じである。
【００４０】
ＵＶ吸収センサ９５は、ＵＶ光線（波長：２５０〜３００ｎｍ程度）を射出して、カソード側ドレインタンク８５に貯まった排水を透過したＵＶ光線を受光することで、排水のＵＶ光線の吸収度合い（モル吸光係数）を定期的に計測する。そして、ＵＶ吸収センサ９５は、計測した排水のモル吸光係数の値を含む信号Ｓ２を制御ユニット９６に出力する。なお、本実施形態において、吸収センサ９５は請求項における計測部に相当する。また、カソード側ドレインタンク８５及び吸収センサ９５及び制御ユニット９６は、請求項における検出部に相当する。
【００４１】
この第３の実施形態によっても、上述した第２の実施形態と同様に、電解質膜２１の劣化を検出することができる。すなわち、電解質膜２１が劣化する際のモル吸光係数（しきい値）を予め実験等で求めておき、吸収センサ９５によって計測したモル吸光係数が、このしきい値よりも大きければ電解質膜２１の劣化がしたものと判断する。これは、ＵＶ吸収センサ９５において受光するＵＶ光線の減衰は、排水中に含まれる物質の濃度に比例するので、電解質膜２１の劣化によってベンゼンスルホン酸誘導体が排水中に溶け出すと、測定されるモル吸光係数が増加することとなるからである。なお、モル吸光係数のしきい値は、図５に示す実験と同様な試験を行って決定することができる。そして、例えば、実験開始当初のモル吸光係数が、１００（Ｌ／ｍｏｌ・ｃｍ）であったものが、Ｓ−ＰＥＥＫ膜が５％だけ収縮した際に５０００（Ｌ／ｍｏｌ・ｃｍ）となっていれば、この５０００（Ｌ／ｍｏｌ・ｃｍ）をしきい値として決定することができる。なお、第３の実施形態においても、上述した第２の実施形態と同様に、電解質膜２１の寿命を予測することができる。
【００４２】
以上説明したように、電解質膜２１が劣化すると、Ｓ−ＰＥＥＫの分解反応によって、燃料電池１０からの排水中にベンゼンスルホン酸誘導体が含まれることとなり、排水のモル吸光係数が増加する。したがって、この排水のモル吸光係数をＵＶ吸収センサ９５で定期的に測定することで、電解質膜２１の劣化を簡易に検出することができる。また、排水中にセンサを浸して排水中のベンゼンスルホン酸誘導体の量を直接計測する構成に比べて、排水と直接接触する部分がないことから、排水による計測器の劣化を抑制することができる。
【００４３】
Ｅ．変形例：
なお、上記各実施形態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形態や実施例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り、例えば次のような変形も可能である。
【００４４】
Ｅ１．変形例１：
上述した各実施形態では、電解質膜２１として、Ｓ−ＰＥＥＫ膜を用いるものとしたが、Ｓ−ＰＥＥＫに限らず、他の任意の炭化水素系のイオン交換膜を用いるようにしてもよい。具体的には、例えば、スルホン化ポリフェニレン誘導体（Ｓ−ＰＰＢＳ）や、アルキルスルホン化ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ−ＩＳ）等を用いるようにしてもよい。また、電解質膜２１として、上述したような炭化水素系のイオン交換膜に限らず、Nafion（登録商標）等のフッ化炭素系イオン交換膜を用いるようにしてもよい。この場合でも膜リークにより排水中に溶け出した物質（フッ化化合物等）と呈色反応を示す化学種を配管３５０ｂに配置することで、排水の色の視認によって電解質膜２１の劣化を検出することができる。また、このような構成であっても、第２の実施形態及び第３の実施形態のように、排水の屈折率やモル吸光係数を測定することで電解質膜２１の劣化を検出することができる。
【００４５】
Ｅ２．変形例２：
上述した第１の実施形態では、排水中のベンゼンスルホン酸誘導体と呈色反応を示す物質（シメチジン）を用いていたが、電解質膜２１の劣化によって排水中に溶出する任意の化学種と呈色反応を示す任意の化学種を用いるようにしてもよい。具体的には、例えば、電解質膜２１の劣化によって排水中にアルキルスルホン酸誘導体が含まれることとなる場合には、アルキルスルホン酸誘導体と呈色反応を示すメチレンブルーを用いるようにしてもよい。なお、このメチレンブルーは、アルキルスルホン酸誘導体のみならず、ベンゼンスルホン酸誘導体とも呈色反応を示す。従って、このメチレンブルーを用いる構成では、仮に、排水中にアルキルスルホン酸誘導体が溶出しない場合であっても、排水中にベンゼンスルホン酸誘導体が溶出している場合には排水が呈色するので、電解質膜２１の劣化を検出することができる。
【００４６】
Ｅ３．変形例３：
上述した第１の実施形態では、シメチジンを塗布する場所は、配管３５０ｂの内部としたが、排水の排水経路上の任意の場所に塗布するようにしてもよい。具体的には、例えば、カソード側ドレインタンク８５の内部（例えば底部分）にシメチジンを塗布しておくようにしてもよい。かかる構成であっても、電解質膜２１の劣化により排水中にベンゼンスルホン酸誘導体が溶け出した場合に排水が呈色するので、ユーザは、排水の色を視認することで電解質膜２１の劣化を検出することができる。なお、シメチジンを塗布等によって排水中に溶出するように排水経路上に配置することに代えて、排水に溶出しないように配置することもできる。例えば、シメチジンを排水に溶出しない化学種と混合し、得られたシメチジン化合物を配管３５０ｂの内部に配置しておく。この場合、配管３５０ｂを通る排水によって、このシメチジン化合物自体は呈色することとなるが、排水は呈色しないこととなる。このような構成では、このシメチジン化合物自体が呈色したことを視認することによって、電解質膜２１の劣化を検出することができる。
【００４７】
Ｅ４．変形例４：
上述した第１の実施形態では、排水を視認するための視認窓が設けられている場所は、カソード側ドレインタンク８５であったが、カソード側ドレインタンク８５に限らず、排水の排水経路上の任意の場所に設けるようにするようにしてもよい。具体的には、例えば、シメチジンを塗布した場所よりも下流側において、配管３５０ｂに視認窓を設けるようにしてもよい。このようにしても、かかる視認窓を通過する排水の色を視認することができ、電解質膜２１の劣化を検出することができる。なお、シメチジンを、排水に溶出しないようにして排水経路上に配置する構成の場合には、シメチジン自体を視認できるようにシメチジンを配置した場所に視認窓を設けるようにすればよい。また、配管３５０ｂやカソード側ドレインタンク８５に視認窓を設けて可視部とする構成に限らず、配管３５０ｂやカソード側ドレインタンク８５全体を石英ガラス等で構成して可視部とするようにしてもよい。
【００４８】
Ｅ５．変形例５：
上述した各実施形態では、カソード側の排水を対象として、色を視認したり、屈折率やモル吸光係数を測定したりしていたが、カソード側の排水に代えて、或いは、カソード側の排水と共に、アノード側の排水を対象として色の視認等を行うようにしてもよい。この場合、例えば、気液分離器８８において、分離された水分について色を視認したり、屈折率やモル吸光係数を測定するようにしてもよい。電解質膜２１の劣化によって、アノード側の排水においてもベンゼンスルホン酸誘導体が含まれることとなるので、上記構成であっても電解質膜２１の劣化を検出することが可能となる。
【００４９】
Ｅ６．変形例６：
上述した第２の実施形態では、カソード側ドレインタンク８５に貯まった排水の屈折率にのみ基づいて電解質膜２１の劣化を検出していた。また、上述した第３の実施形態では、排水のモル吸光係数にのみ基づいて電解質膜２１の劣化を検出していた。これら構成に限定されず、屈折率とモル吸光係数との両方に基づいて電解質膜２１の劣化を検出するようにしてもよい。このようにすることで、電解質膜２１の劣化検出の精度をより高めることができる。
【００５０】
Ｅ７．変形例７：
上述した各実施形態では、燃料電池システム１０００，１０００ａ，１０００ｂは、いずれも複数の燃料電池１０が積層した燃料電池スタック１００を備えるものとしたが、１つの燃料電池１０のみで構成されるものであってもよい。このような構成であっても、１つの燃料電池１０における電解質膜２１の劣化を検出することができる。
【００５１】
Ｅ８．変形例８：
上述した第２の実施形態及び第３の実施形態では、劣化検出部９８において電解質膜２１の劣化を検出していたが、電解質膜２１の劣化を検出した際に、劣化の発生をユーザに通知する構成とすることもできる。具体的には、例えば、燃料電池システム１０００，１０００ａ，１０００ｂの操作用（保守用）のモニタ（図示省略）に劣化発生の警告メッセージを表示することもできる。或いは、警告音や警告灯を点灯させるといったアクションを発生させることもできる。このようにすることで、ユーザに対して、電解質膜２１の劣化の発生を早急に通知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示す燃料電池１０の詳細構成を示す説明図及びＳ−ＰＥＥＫの構造式を示す説明図。
【図３】図１に示す第１の実施形態における実施例を示す説明図。
【図４】第２の実施形態としての燃料電池システム１０００ａの概略構成を示す説明図。
【図５】屈折率のしきい値を決定するための実験方法を概略的に示す説明図。
【図６】第３の実施形態としての燃料電池システム１０００ｂの概略構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池
２１…電解質膜
２２…カソード側触媒電極層
２３…アノード側触媒電極層
３２…カソード側拡散層
３３…アノード側拡散層
３５…カソード側セパレータ
３６…アノード側セパレータ
４０…水素タンク
５０…ラジエータ
７０…シメチジン
８０…光源
８５…カソード側ドレインタンク
８６ａ…視認窓
８６ｂ…視認窓
８８…気液分離器
９２…モノクロメータ
９４…屈折率計
９５…吸収センサ
９６…制御ユニット
９６ａ…ＣＰＵ
９８…劣化検出部
１００…燃料電池スタック
２４０…循環ポンプ
２５０ａ…配管
２５０ｂ…配管
３１０…エアポンプ
３５０ａ…配管
３５０ｂ…配管
４１０…循環ポンプ
４５０ａ…配管
４５０ｂ…配管
１０００…燃料電池システム
１０００ａ…燃料電池システム
１０００ｂ…燃料電池システム
Ｓ１…信号
Ｓ２…信号
ＳＷ…水溶液
【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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