(57)【要約】【課題】燃料電池に用いられる膜電極接合体の劣化状態を判定するための新たな技術を提供する。さらに、複数の膜電極接合体が積層された燃料電池スタックにおいても、各膜電極接合体の劣化状態を個別に判定可能とする。【解決手段】燃料電池システム１００は、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体１２ｍを複数積層した燃料電池スタック１０と、Ｘ線照射装置２０と、Ｘ線検出装置３０と、制御装置４０とを備える。各膜電極接合体１２ｍには、Ｘ線遮蔽材料からなるマークＭ１_ｎ，Ｍ２_ｎがそれぞれ設けられている。そして、制御装置４０は、Ｘ線照射装置２０によって照射され、各膜電極接合体１２ｍを透過したＸ線を、Ｘ線検出装置３０によって検出し、膜電極接合体１２ｍの初期状態からのマークＭ１_ｎとマークＭ２_ｎとの距離の変化に基づいて、各膜電極接合体１２ｍの収縮量を算出し、各膜電極接合体１２ｍの劣化状態を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池と、
前記膜電極接合体の収縮量に関連する所定のパラメータを検出する検出部と、
前記検出部によって検出された検出結果に基づいて、前記膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する劣化判定部と、
を備え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って、
前記膜電極接合体の面内には、放射線遮蔽材料からなるマークが設けられており、
前記検出部は、
前記膜電極接合体の表面に対してほぼ垂直な方向から、前記膜電極接合体に放射線を照射する放射線照射装置と、
前記放射線照射装置によって照射され、前記膜電極接合体を透過した放射線に基づいて、前記マークの位置を表す値を検出する位置検出装置と、
前記膜電極接合体の初期状態における前記マークの位置を表す初期値と、前記位置検出装置によって検出された検出値とに基づいて、前記膜電極接合体における前記マークの移動量を、前記パラメータとして算出する演算部と、
を備え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、
前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックであり、
前記マークは、前記複数の膜電極接合体ごとに、それぞれ異なる位置に設けられており、
前記初期値は、前記複数の膜電極接合体にそれぞれ設けられた前記マークごとに設定されている、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成されており、
前記検出部は、
前記フレーム部材に設けられ、該フレーム部材の歪み量を検出する歪みゲージと、
前記膜電極接合体の初期状態における前記フレーム部材の歪み量の初期値と、前記歪みゲージによって検出された検出値とに基づいて、前記フレーム部材の歪み量の変化量を、前記パラメータとして算出する演算部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックであり、
前記歪ゲージは、前記複数の膜電極接合体の周囲にそれぞれ形成された前記フレーム部材に、それぞれ設けられており、
前記初期値は、前記複数のフレーム部材にそれぞれ設けられた前記歪みゲージごとに設定されている、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記劣化判定部による判定結果が、前記燃料電池の使用を停止すべき結果である場合に、前記燃料電池の使用を停止すべき旨を警報する警報処理部を備える燃料電池システム。
【請求項７】
固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、放射線遮蔽材料からなるマークを面内に備える、燃料電池。
【請求項８】
固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成されており、
前記フレーム部材は、該フレーム部材の歪み量を検出する歪みゲージを備える、燃料電池。
【請求項９】
燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体であって、
放射線遮蔽材料からなるマークを面内に備える膜電極接合体。
【請求項１０】
燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する劣化判定方法であって、
前記膜電極接合体の収縮量に関連する所定のパラメータを検出する検出工程と、
前記検出工程によって検出された検出結果に基づいて、前記膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する劣化判定工程と、
を備える劣化判定方法。
【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膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される。このような燃料電池では、膜電極接合体が劣化すると、いわゆるクロスリークが発生し、発電性能の低下を招く。
【０００３】
そこで、従来、膜電極接合体の劣化を判定する種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、膜電極接合体が備える高分子電解質膜の分解反応により生成される化学種（例えば、フッ化物イオン）の量や、この化学種の量に対応する電気伝導度を計測し、その計測結果に基づいて、燃料電池の寿命を予測する技術が記載されている。また、下記特許文献２には、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される排出ガス中のイオン濃度を検出し、その検出結果に基づいて、燃料電池の劣化状態（電解質膜の劣化によるクロスリーク）を検出する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７４９２２号公報
【特許文献２】特開２００６−４９１４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池には、複数の膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層したスタック構造を有する燃料電池スタックがある。
【０００６】
しかし、上記特許文献１，２に記載された技術では、燃料電池スタックが備える複数の膜電極接合体の劣化を個別に判定することができなかった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に用いられる膜電極接合体の劣化を判定するための新たな技術を提供することを目的とする。さらに、複数の膜電極接合体が積層された燃料電池スタックにおいても、各膜電極接合体の劣化を個別に判定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】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］燃料電池システムであって、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池と、前記膜電極接合体の収縮量に関連する所定のパラメータを検出する検出部と、前記検出部によって検出された検出結果に基づいて、前記膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する劣化判定部と、を備えることを要旨とする。
【００１０】
燃料電池の作動時、すなわち、発電時には、水素と酸素との電気化学反応によって、水が生成されるとともに、過酸化水素も生成される。この過酸化水素からは、ヒドロキシラジカルが容易に生成される。このヒドロキシラジカルは、反応性が高く、電解質膜に用いられる固体高分子の分子鎖を切断、分解する作用を有している。そして、固体高分子の分子鎖が切断、分解されると、電解質膜が劣化して収縮する。さらに、電解質膜が収縮すると、これに伴って、この電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体も収縮する。
【００１１】
本適用例の燃料電池システムは、上述した検出部、および、劣化判定部を備えるので、膜電極接合体の収縮量に関連する所定のパラメータを検出し、この検出結果、すなわち、膜電極接合体の収縮量に基づいて、膜電極接合体、あるいは、膜電極接合体が有する電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。
【００１２】
なお、膜電極接合体の膨張、収縮は、温度変化によっても生じる。したがって、適用例１の燃料電池システムに、さらに、温度センサを備えるようにし、膜電極接合体の温度や、燃料電池の温度や、環境温度等に基づいて、上記劣化の判定基準を補正するようにすることが好ましい。また、膜電極接合体の膨張、収縮は、膜電極接合体に含まれる水分量の変動によっても生じる。したがって、上記劣化の判定は、例えば、燃料電池システムの起動時等、膜電極接合体に含まれる水分量が安定した状態のときに行うことが好ましい。
【００１３】
［適用例２］適用例１の燃料電池システムにおいて、膜電極接合体の収縮量を検出する態様としては、種々の態様を適用可能である。例えば、適用例１の燃料電池システムにおいて、前記膜電極接合体の面内には、放射線遮蔽材料からなるマークが設置されており、前記検出部は、前記膜電極接合体の表面に対してほぼ垂直な方向から、前記膜電極接合体に放射線を照射する放射線照射装置と、前記放射線照射装置によって照射され、前記膜電極接合体を透過した放射線に基づいて、前記マークの位置を表す値を検出する位置検出装置と、前記膜電極接合体の初期状態における前記マークの位置を表す初期値と、前記位置検出装置によって検出された検出値とに基づいて、前記膜電極接合体における前記マークの移動量を、前記パラメータとして算出する演算部と、を備えるようにしてもよい。こうすることによって、膜電極接合体に設置されたマークの移動量に基づいて、膜電極接合体の収縮量を容易に検出することができる。なお、膜電極接合体に設置されるマークの数は、１つであってもよいし、複数であってもよい。
【００１４】
［適用例３］適用例２の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックであり、前記マークは、前記複数の膜電極接合体ごとに、それぞれ異なる位置に設置されており、前記初期値は、前記複数の膜電極接合体にそれぞれ設けられた前記マークごとに設定されているようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池スタックが備える複数の膜電極接合体の初期状態からの劣化を個別に判定することができる。
【００１５】
［適用例４］また、適用例１の燃料電池システムにおいて、前記膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成されており、前記検出部は、前記フレーム部材に設けられ、該フレーム部材の歪み量を検出する歪みゲージと、前記膜電極接合体の初期状態における前記フレーム部材の歪み量の初期値と、前記歪みゲージによって検出された検出値とに基づいて、前記フレーム部材の歪み量の変化量を、前記パラメータとして算出する演算部と、を備えるようにしてもよい。
【００１６】
膜電極接合体が燃料電池に適用される場合、一般に、膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成される。そして、膜電極接合体が収縮すると、フレーム部材が歪む。したがって、本適用例によって、フレーム部材の歪み量、すなわち、フレーム部材に備えられた歪みゲージの出力に基づいて、膜電極接合体の収縮量を間接的に推定することができる。なお、フレーム部材に備えられる歪みゲージの数は、１つであってもよいし、複数であってもよい。また、フレーム部材としては、例えば、樹脂製のフレーム部材を用いることが可能であり、膜電極接合体の周囲に、例えば、射出成形によって、一体的に形成することができる。フレーム部材として、樹脂製のフレーム部材を用いる場合、例えば、インサート成形によって、フレーム部材内に、歪みゲージを埋め込むことができる。
【００１７】
［適用例５］適用例４の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックであり、前記歪ゲージは、前記複数の膜電極接合体の周囲にそれぞれ形成された前記フレーム部材に、それぞれ備えられており、前記初期値は、前記複数のフレーム部材にそれぞれ設けられた前記歪みゲージごとに設定されているようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池スタックが備える複数の膜電極接合体の初期状態からの劣化を個別に判定することができる。
【００１８】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかの燃料電池システムにおいて、さらに、前記劣化判定部による判定結果が、前記燃料電池の使用を停止すべき結果である場合に、前記燃料電池の使用を停止すべき旨を警報する警報処理部を備えるようにしてもよい。ここで、「燃料電池の使用を停止すべき結果」とは、検出部によって検出されたパラメータ値が、発電に適した所定の範囲から外れた値であり、膜電極接合体の劣化が著しく、発電を継続するのに不適な状態であることを示す結果を意味している。本適用例によって、燃料電池システムのユーザに、膜電極接合体を交換すべきことを報知することができる。
【００１９】
［適用例７］本発明は、燃料電池の発明として構成することもできる。すなわち、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池であって、前記膜電極接合体は、放射線遮蔽材料からなるマークを面内に備えることを要旨とする。こうすることによって、先述した適用例２，３の燃料電池システムに適用可能な燃料電池を構成することができる。
【００２０】
［適用例８］また、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池であって、前記膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成されており、前記フレーム部材は、該フレーム部材の歪み量を検出する歪みゲージを備えることを要旨とする。こうすることによって、先述した適用例４，５の燃料電池システムに適用可能な燃料電池を構成することができる。
【００２１】
［適用例９］本発明は、膜電極接合体の発明として構成することもできる。すなわち、燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体であって、放射線遮蔽材料からなるマークを面内に備えることを要旨とする。こうすることによって、先述した適用例２，３の燃料電池システム、あるいは、適用例７の燃料電池に適用可能な膜電極接合体を構成することができる。
【００２２】
本発明は、上述の燃料電池システム、燃料電池、膜電極接合体としての構成の他、膜電極接合体の劣化判定方法や、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２３】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、Ｘ線照射装置２０と、Ｘ線検出装置３０と、制御装置４０とを備えている。これらは、後述するように、燃料電池スタック１０が備える複数の膜電極接合体１２ｍの初期状態からの劣化を判定するために用いられる。
【００２５】
本実施例における燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セル１２を複数積層させたスタック構造を有する積層体である。各単セル１２は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合した膜電極接合体１２ｍを備えている。本実施例の燃料電池スタック１０は、電解質膜として、固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池である。そして、図中に示したように、各膜電極接合体１２ｍには、Ｘ線遮蔽材料からなる２つのマークＭ１_ｎ，Ｍ２_ｎが、各膜電極接合体１２ｍごとに、それぞれ異なる位置に設けられている。Ｘ線遮蔽材料としては、例えば、タングステンや、鉛などが挙げられる。なお、これらのマークに付された符号において、「ｎ」は、燃料電池スタック１０が備えるｎ番目の膜電極接合体１２ｍであることを表している。
【００２６】
燃料電池システム１００において、Ｘ線照射装置２０は、燃料電池スタック１０のスタック構造の積層方向、すなわち、膜電極接合体１２ｍの表面に対してほぼ垂直な方向から、膜電極接合体１２ｍにＸ線を照射可能な位置に配置されている。また、Ｘ線検出装置３０は、Ｘ線照射装置２０によって照射され、膜電極接合体１２ｍを透過したＸ線を検出可能な位置に配置されている。そして、図示は省略しているが、これらの周囲には、外部へのＸ線の漏洩を防止するためのケースが設けられている。
【００２７】
なお、図示、および、詳細な説明は省略するが、燃料電池スタック１０の内には、各アノードに燃料ガスとしての水素を供給するための燃料ガス流路や、各カソードに酸素を含む酸化剤ガスとしての空気を供給するための酸化剤ガス流路や、各単セルを冷却する冷却水を流すための冷却水流路が形成されている。そして、燃料電池スタック１０の各アノードには、図示しない水素供給系によって、燃料ガスとして水素が供給される。また、燃料電池スタック１０の各カソードには、図示しない空気供給系によって、酸素を含有した酸化剤ガスとしての空気が供給される。また、図示しない冷却水循環系によって、冷却水が循環される。
【００２８】
燃料電池システム１００の運転は、制御装置４０によって制御される。制御装置４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。なお、先述したように、本実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０が備える各膜電極接合体１２ｍの初期状態からの劣化を判定することが可能であり、本明細書では、燃料電池システム１００の種々の運転制御のうち、膜電極接合体１２ｍの劣化を判定する処理（劣化判定処理）について説明する。
【００２９】
本実施例の燃料電池システム１００において、膜電極接合体１２ｍの劣化の判定は、以下の原理によって行われる。燃料電池システム１００の作動時、すなわち、燃料電池スタック１０による発電時には、水素と酸素との電気化学反応によって、水が生成されるとともに、過酸化水素も生成される。この過酸化水素からは、ヒドロキシラジカルが容易に生成される。このヒドロキシラジカルは、反応性が高く、膜電極接合体１２ｍが備える電解質膜に用いられる固体高分子の分子鎖を切断、分解する作用を有している。そして、固体高分子の分子鎖が切断、分解されると、電解質膜が劣化して収縮する。さらに、電解質膜が収縮すると、これに伴って、この電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体１２ｍも収縮する。したがって、膜電極接合体１２ｍの収縮量に基づいて、膜電極接合体１２ｍ、あるいは、膜電極接合体１２ｍが備える電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。
【００３０】
そこで、膜電極接合体１２ｍの劣化を判定するために、制御装置４０は、マーク位置特定部４２と、収縮量演算部４４と、劣化判定部４６と、記憶部４８と、警報処理部４９とを備えている。これらの各機能ブロックは、ＲＯＭに記憶されている所定のコンピュータプログラムや、データを、ＲＡＭにロードすることによって、ソフトウェア的に構築されており、それぞれ後述する機能を有している。これらの機能ブロックの少なくとも一部を、ハードウェア的に構成してもよい。なお、図中に示したように、記憶部４８には、各膜電極接合体１２ｍに設けられたマークＭ１_１〜Ｍ１_ｎ，Ｍ２_１〜Ｍ２_ｎの位置の初期値が、各膜電極接合体１２ｍと対応付けて記憶されている。本実施例では、これらマークＭ１_１〜Ｍ１_ｎ，Ｍ２_１〜Ｍ２_ｎの位置を表す値として、座標値を用いるものとした。また、記憶部４８には、後述する劣化判定処理において、劣化の判定基準となる閾値Ｑｓｔｈも記憶されている。
【００３１】
Ａ２．膜電極接合体の劣化判定処理：
図２は、第１実施例の膜電極接合体１２ｍの劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。本実施例では、この処理は、燃料電池システム１００の起動時に、制御装置４０のＣＰＵが実行する処理である。本実施例では、先に説明したように、膜電極接合体１２ｍの収縮量に基づいて、膜電極接合体１２ｍの劣化判定を行うものであり、燃料電池システム１００の起動時には、膜電極接合体１２ｍに含まれる水分量が比較的安定していて、膜電極接合体１２ｍに含まれる水分量の変動による膨張、収縮が少ないからである。
【００３２】
まず、ＣＰＵは、Ｘ線照射装置２０によって、燃料電池スタック１０が備える各膜電極接合体１２ｍにＸ線を照射する（ステップＳ１００）。そして、ＣＰＵは、Ｘ線検出装置３０によって、Ｘ線照射装置２０によって照射され、各膜電極接合体１２ｍを透過したＸ線を検出する（ステップＳ１１０）。
【００３３】
次に、ＣＰＵは、マーク位置特定部４２によって、Ｘ線検出装置３０によって検出された検出結果に基づいて、各膜電極接合体１２ｍに設けられたマークＭ１_１〜Ｍ１_ｎ，Ｍ２_１〜Ｍ２_ｎの位置をそれぞれ特定する（ステップＳ１２０）。
【００３４】
次に、ＣＰＵは、収縮量演算部４４によって、記憶部４８に記憶されているマークＭ１_１〜Ｍ１_ｎ，Ｍ２_１〜Ｍ２_ｎの位置の初期値と、マーク位置特定部４２によって特定されたマークＭ１_１〜Ｍ１_ｎ，Ｍ２_１〜Ｍ２_ｎの位置とに基づいて、各膜電極接合体１２ｍの収縮量Ｑｓを、それぞれ算出する（ステップＳ１３０）。本実施例では、膜電極接合体１２ｍの収縮量Ｑｓとして、収縮率を用いるものとした。収縮量Ｑｓは、例えば、｛（マークＭ１_ｎ、および、マークＭ１_ｎの初期値から求められる両者間の距離）−（マークＭ１_ｎ、および、マークＭ１_ｎの検出値から求められる両者間の距離）｝／（マークＭ１_ｎ、および、マークＭ１_ｎの初期値から求められる両者間の距離）によって算出される。
【００３５】
次に、ＣＰＵは、各膜電極接合体１２ｍについて、収縮量Ｑｓが閾値Ｑｓｔｈ以上であるか否かをそれぞれ判定する（ステップＳ１４０）。この閾値Ｑｓｔｈは、膜電極接合体１２ｍの劣化（収縮）が著しく、発電を継続するのに不適な状態であることを判断可能な値が設定されている。そして、収縮量Ｑｓが閾値Ｑｓｔｈ未満である場合には（ステップＳ１４０：ＮＯ）、ＣＰＵは、劣化判定処理を終了する。一方、収縮量Ｑｓが閾値Ｑｓｔｈ以上である膜電極接合体１２ｍが存在した場合には（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、その膜電極接合体１２ｍを特定するとともに、警報処理部４９によって、警報処理を行う。この警報処理としては、例えば、図示しない警告ランプを点灯させたり、警告音を鳴らしたりする処理が挙げられる。そして、ＣＰＵは、劣化判定処理を終了する。
【００３６】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、膜電極接合体１２ｍの収縮量Ｑｓに基づいて、膜電極接合体１２ｍ、あるいは、膜電極接合体１２ｍが備える電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。また、燃料電池スタック１０が備える複数の膜電極接合体１２ｍの初期状態からの劣化を、個別に判定することができる。
【００３７】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図３は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００Ａは、燃料電池スタック１０Ａと、制御装置４０Ａとを備えている。そして、本実施例の燃料電池システム１００Ａも、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、膜電極接合体１２ｍの収縮量に基づいて、燃料電池スタック１０が備える複数の膜電極接合体１２ｍの初期状態からの劣化を判定することが可能である。
【００３８】
本実施例における燃料電池スタック１０Ａは、第１実施例の燃料電池スタック１０と同様に、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セル１２Ａを複数積層させたスタック構造を有する積層体である。各単セル１２Ａは、膜電極接合体１２ｍを備えている。ただし、図中に示したように、各膜電極接合体１２ｍの周囲には、矩形形状を有する樹脂製のフレーム部材１２ｆが、例えば、射出成形によって、それぞれ一体的に形成されており、各フレーム部材１２ｆの内部には、各フレーム部材１２ｆの歪み量を検出するための２つの歪みゲージ１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ_ｎが、例えば、インサート成形によって、それぞれ埋め込まれている。歪みゲージ１２ｇｈ_ｎは、フレーム部材１２ｆの縦方向の歪み量を検出するためのものであり、歪みゲージ１２ｇｖ_ｎは、フレーム部材１２ｆの横方向の歪み量を検出するためのものである。なお、これらの歪みゲージに付された符号において、「ｎ」は、燃料電池スタック１０が備えるｎ番目のフレーム部材１２ｆであることを表している。各フレーム部材１２ｆに埋め込まれた歪みゲージ１２ｇｈ_１〜１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ_１〜１２ｇｖ_ｎの出力は、制御装置４０Ａに送られる。また、本実施例の燃料電池システム１００Ａでは、歪みゲージ１２ｇｈ_１〜１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ_１〜１２ｇｖ_ｎは、制御装置４０Ａと配線接続されているものとしたが、燃料電池スタック１０Ａ、および、制御装置４０Ａに、それぞれ無線通信装置を備えるようにし、互いに無線通信するようにしてもよい。燃料電池スタック１０Ａと制御装置４０Ａとが、互いに無線通信するようにすれば、多数の配線の煩わしさを解消することができる。
【００３９】
燃料電池システム１００Ａの運転は、制御装置４０Ａによって制御される。制御装置４０Ａは、第１実施例における制御装置４０と同様に、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。なお、先述したように、本実施例の燃料電池システム１００Ａは、燃料電池スタック１０Ａが備える各膜電極接合体１２ｍの初期状態からの劣化を判定することが可能であり、本実施例においても、燃料電池システム１００Ａの種々の運転制御のうち、膜電極接合体１２ｍの劣化を判定する処理（劣化判定処理）について説明する。
【００４０】
本実施例の燃料電池システム１００Ａにおいて、膜電極接合体１２ｍの劣化の判定は、以下の原理によって行われる。先に説明したように、燃料電池システム１００Ａの作動時、すなわち、燃料電池スタック１０による発電時には、電解質膜が劣化して収縮し、さらに、膜電極接合体１２ｍも収縮する。そして、膜電極接合体１２ｍが収縮すると、これに伴って、膜電極接合体１２ｍに一体的に形成されたフレーム部材１２ｆが歪む。したがって、フレーム部材１２ｆの歪み量に基づいて、膜電極接合体１２ｍの収縮量を間接的に推定し、膜電極接合体１２ｍ、あるいは、膜電極接合体１２ｍが備える電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。
【００４１】
そこで、膜電極接合体１２ｍの劣化状態を判定するために、制御装置４０Ａは、歪み量演算部４５と、劣化判定部４６Ａと、記憶部４８Ａと、警報処理部４９とを備えている。これらの各機能ブロックは、ＲＯＭに記憶されている所定のコンピュータプログラムや、データを、ＲＡＭにロードすることによって、ソフトウェア的に構築されており、それぞれ後述する機能を有している。これらの機能ブロックの少なくとも一部を、ハードウェア的に構成してもよい。なお、図中に示したように、記憶部４８Ａには、各フレーム部材１２ｆに埋め込まれた歪みゲージ１２ｇｈ_１〜１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ_１〜１２ｇｖ_ｎの出力値の初期値が、各歪みゲージ１２ｇｈ_１〜１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ_１〜１２ｇｖ_ｎ、すなわち、各フレーム部材１２ｆ、および、膜電極接合体１２ｍと対応付けて記憶されている。また、記憶部４８Ａには、後述する劣化判定処理において、劣化状態の判定基準となる閾値Ｄｔｈも記憶されている。
【００４２】
Ｂ２．膜電極接合体の劣化判定処理：
図４は、第２実施例の膜電極接合体１２ｍの劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。本実施例では、この処理は、燃料電池システム１００Ａの起動時に、制御装置４０ＡのＣＰＵが実行する処理である。本実施例では、先に説明したように、フレーム部材１２ｆの歪み量に基づいて、膜電極接合体１２ｍの収縮量を間接的に推定し、膜電極接合体１２ｍの劣化判定を行うものであり、燃料電池システム１００Ａの起動時には、膜電極接合体１２ｍに含まれる水分量が比較的安定していて、膜電極接合体１２ｍに含まれる水分量の変動による膨張、収縮が少ないからである。
【００４３】
まず、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０Ａから、各歪みゲージ１２ｇｈ_１〜１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ_１〜１２ｇｖ_ｎの出力を取得し（ステップＳ２００）、歪み量演算部４５によって、記憶部４８Ａに記憶されている歪みゲージ１２ｇｈ_１〜１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ_１〜１２ｇｖ_ｎの出力値の初期値と、ステップＳ２００で取得した歪みゲージ１２ｇｈ_１〜１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ_１〜１２ｇｖ_ｎの出力値とに基づいて、各フレーム部材１２ｆの縦方向、および、横方向の歪み量の増加量Ｄを算出する（ステップＳ２１０）。フレーム部材１２ｆの歪み量の増加量Ｄと膜電極接合体１２ｍの収縮量との関係は、予め、実験的、あるいは、解析的に知得可能であるから、フレーム部材１２ｆの歪み量の増加量Ｄに基づいて、膜電極接合体１２ｍの収縮量を推定することができる。
【００４４】
次に、ＣＰＵは、各フレーム部材１２ｆの歪み量の増加量Ｄが閾値Ｄｔｈ以上であるか否かをそれぞれ判定する（ステップＳ２２０）。この閾値Ｄｔｈは、フレーム部材１２ｆの歪み量が大きく、すなわち、膜電極接合体１２ｍの劣化（収縮）が著しく、発電を継続するのに不適な状態であることを判断可能な値が設定されている。そして、歪み量の増加量Ｄが閾値Ｄｔｈ未満である場合には（ステップＳ２２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、劣化判定処理を終了する。一方、歪み量の増加量Ｄが閾値Ｄｔｈ以上であるフレーム部材１２ｆが存在する場合には（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、そのフレーム部材１２ｆを特定するとともに、警報処理部４９によって、警報処理を行う。この警報処理としては、例えば、図示しない警告ランプを点灯させたり、警告音を鳴らしたりする処理が挙げられる。そして、ＣＰＵは、劣化判定処理を終了する。
【００４５】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ａによれば、フレーム部材１２ｆの歪み量（歪み量の増加量Ｄ）に基づいて、膜電極接合体１２ｍ、あるいは、膜電極接合体１２ｍが備える電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。また、燃料電池スタック１０が備える複数の膜電極接合体１２ｍの初期状態からの劣化を、個別に判定することができる。
【００４６】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００４７】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、各膜電極接合体１２ｍには、Ｘ線遮蔽材料からなるマークが、２つずつ設けられているものとしたが、本発明は、これに限られない。各膜電極接合体１２ｍに設けられるマークの数は、任意に設定可能であり、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。各膜電極接合体１２ｍに設けられるマークの数を３つ以上とすれば、膜電極接合体１２ｍの劣化の判定を、さらに、詳細に行うことができる。また、各膜電極接合体１２ｍに設けられるマークが１つである場合には、マークの初期位置からの移動量に基づいて、膜電極接合体１２ｍの劣化判定処理を行うようにすればよい。
【００４８】
Ｃ２．変形例２：
上記第１実施例では、Ｘ線照射装置２０、および、Ｘ線検出装置３０を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。Ｘ線照射装置２０の代わりに、他の放射線を照射可能な放射線照射装置を用いるとともに、Ｘ線検出装置３０の代わりに、上記放射線を検出可能な放射線検出装置を用いるようにしてもよい。そして、この場合、膜電極接合体１２ｍに設けられるマークを上記放射線を遮蔽可能な材料からなるものとすればよい。
【００４９】
Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例では、各フレーム部材１２ｆには、それぞれ２つの歪みゲージが埋め込まれているものとしたが、本発明は、これに限られない。各フレーム部材１２ｆに埋め込まれる歪みゲージの数は、任意に設定可能であり、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。ただし、フレーム部材１２ｆに複数の歪みゲージを備えるようにすることによって、膜電極接合体１２ｍの収縮量を、より精度良く推定することができる。また、上記第２実施例では、劣化判定処理において、フレーム部材１２ｆに備えられた２つの歪みゲージに対して、１つの閾値Ｄｔｈを用いるものとしたが、２つの歪みゲージにそれぞれ対応する２つの閾値を設定するようにしてもよい。
【００５０】
Ｃ４．変形例４：
上記第１実施例、および、第２実施例では、制御装置４０，４０Ａは、警報処理部４９を備えるものとしたが、これを省略してもよい。
【００５１】
Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例、および、第２実施例では、劣化判定処理において、それぞれ固定の閾値Ｑｓｔｈ、閾値Ｄｔｈを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体１２ｍは、温度変化によって、膨張、収縮するので、燃料電池システム１００，１００Ａに、さらに、温度センサを備えるようにし、膜電極接合体１２ｍの温度や、燃料電池スタック１０の温度や、環境温度等に基づいて、上記劣化状態の判定基準となる閾値Ｑｓｔｈ、閾値Ｄｔｈを補正するようにしてもよい。
【００５２】
Ｃ６．変形例６：
上記第１実施例、および、第２実施例では、劣化判定処理を、燃料電池システム１００，１００Ａの起動時に行うものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池システム１００，１００Ａの運転中に、劣化判定処理を行うものとしてもよい。ただし、この場合には、膜電極接合体１２ｍに含まれる水分量の変化によって、膜電極接合体１２ｍが膨張、収縮するので、膜電極接合体１２ｍに含まれる水分量を検出、あるいは、推定し、膜電極接合体１２ｍに含まれる水分量に基づいて、上記劣化状態の判定基準となる閾値Ｑｓｔｈ、閾値Ｄｔｈを補正するようにすることが好ましい。
【００５３】
Ｃ７．変形例７：
上記第１実施例、および、第２実施例では、劣化判定部４６，４６Ａは、それぞれ閾値Ｑｓｔｈ、閾値Ｄｔｈに基づいて、複数の膜電極接合体１２ｍのうちのいずれかが使用不能であるか否かを判定するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、膜電極接合体１２ｍの収縮量Ｑｓと、膜電極接合体１２ｍの劣化状態との関係を、予め実験的、あるいは、解析的に知得しておき、これに基づいて、膜電極接合体１２ｍの交換時期を推定し、さらに、報知するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の膜電極接合体１２ｍの劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図４】第２実施例の膜電極接合体１２ｍの劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５５】
１００，１００Ａ…燃料電池システム
１０，１０Ａ…燃料電池スタック
１２，１２Ａ…単セル
１２ｍ…膜電極接合体
１２ｆ…フレーム部材
１２ｇｈ_１〜１２ｇｈ_ｎ，１２ｇｖ１〜１２ｇｖ_ｎ…歪みゲージ
２０…Ｘ線照射装置
３０…Ｘ線検出装置
４０，４０Ａ…制御装置
４２…マーク位置特定部
４４…収縮量演算部
４５…歪み量演算部
４６，４６Ａ…劣化判定部
４８，４８Ａ…記憶部
４９…警報処理部
Ｍ１_１〜Ｍ１_ｎ，Ｍ２_１〜Ｍ２_ｎ…マーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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