(57)【要約】【課題】  電解質膜の劣化の検出が容易な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムは、スルホン酸基を含む電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が接合された膜電極接合体を有し、アノード電極に供給された燃料ガスとカソード電極に供給された酸化ガスを、電解質膜を介したイオン交換により反応させる固体高分子型燃料電池と、アノード電極からの第１オフガス、カソード電極からの第２オフガス、及び燃料ガス及び酸化ガスの反応により生成された生成水の少なくとも１つを排出する排出路と、金属イオンが含まれる溶液を貯留し、第１オフガス、第２オフガス、及び生成水の少なくとも１つが溶液を通過するように排出路に接続されたタンクとを備え、金属イオンは、溶液中で、前記電解質膜の分解により生成され、第１オフガス、第２オフガス、及び生成水の少なくとも１つに含まれる硫酸イオンと反応して固体塩を析出可能である。【選択図】図２
2017033681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スルホン酸基を含む電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が接合された膜電極接合体を有し、前記アノード電極に供給された燃料ガスと前記カソード電極に供給された酸化ガスを、前記電解質膜を介したイオン交換により反応させる固体高分子型燃料電池と、
前記アノード電極からの第１オフガス、前記カソード電極からの第２オフガス、及び前記燃料ガス及び前記酸化ガスの反応により生成された生成水の少なくとも１つを排出する排出路と、
金属イオンが含まれる溶液を貯留し、前記第１オフガス、前記第２オフガス、及び前記生成水の少なくとも１つが前記溶液を通過するように前記排出路に接続されたタンクとを備え、
前記金属イオンは、前記溶液中で、前記電解質膜の分解により生成され、前記第１オフガス、前記第２オフガス、及び前記生成水の少なくとも１つに含まれる硫酸イオンと反応して固体塩を析出可能であることを特徴とする、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。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と空気中の酸素を、電解質膜を介したイオン交換により化学反応させることで発電してモータを駆動する。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の場合、例えばナフィオン（Nafion）（登録商標、以下同様）などの電解質膜が用いられる。この種の電解質膜は、燃料電池の運転中に生ずるラジカルや過酸化水素により分解されて劣化する（例えば非特許文献１及び２参照）。電解質膜が劣化すると、燃料電池のアノード極及びカソード極の間において水素及び酸素のクロスリークが増加するため、燃料電池の発電性能が低下する。
【０００４】
これに対し、例えば特許文献１及び２のように、燃料電池から排出されるオフガス中のイオン濃度を計測することにより、クロスリークが生じる前に電解質膜の劣化を検出する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Res. Reports Asahi Glass Co., Ltd., 57, 2007
【非特許文献２】D.E.Curtin et al., J.Power Sources, 131, p.41-48, 2004
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４９１４６号公報
【特許文献２】特開２００８−１４０６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１及び２の開示内容のように、イオン濃度から電解質膜の劣化の程度を高精度に検出するには、オフガスの流路にイオン濃度計を設ける必要があるだけでなく、イオンが溶出する水分量を正確に把握する必要があり、温度や圧力が異なる様々な運転条件において、常に正確な水分量を把握し続けることは必ずしも容易ではない。なお、このような問題は、ＦＣＶだけでなく、他種の燃料電池システムについても存在する。
【０００８】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜の劣化の検出が容易な燃料電池システム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】
【０００９】
本明細書に記載の燃料電池システムは、スルホン酸基を含む電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が接合された膜電極接合体を有し、前記アノード電極に供給された燃料ガスと前記カソード電極に供給された酸化ガスを、前記電解質膜を介したイオン交換により反応させる固体高分子型燃料電池と、前記アノード電極からの第１オフガス、前記カソード電極からの第２オフガス、及び前記燃料ガス及び前記酸化ガスの反応により生成された生成水の少なくとも１つを排出する排出路と、金属イオンが含まれる溶液を貯留し、前記第１オフガス、前記第２オフガス、及び前記生成水の少なくとも１つが前記溶液を通過するように前記排出路に接続されたタンクとを備え、前記金属イオンは、前記溶液中で、前記電解質膜の分解により生成され、前記第１オフガス、前記第２オフガス、及び前記生成水の少なくとも１つに含まれる硫酸イオンと反応して固体塩を析出可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電解質膜の劣化を容易に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図２】イオン溶液貯留槽の一例を示す構成図である。
【図３】イオン溶液貯留槽の他例を示す構成図である。
【図４】硫酸カルシウムの取り出し手段の一例を示す図である。
【図５】燃料電池の使用期間に対する硫酸カルシウムの重量の変化の一例を示すグラフである。
【図６】イオン溶液貯留槽の他例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、一例として、燃料電池自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータ（不図示）に電力ＰＷを供給する。
【００１３】
燃料電池システムは、制御装置１０と、水素タンク１１と、燃料ガス調圧弁１２と、燃料電池１３と、エアコンプレッサ１４と、気液分離器１５と、循環ポンプ１６と、パージ弁１７と、希釈器１８と、イオン溶液貯留槽１９と、マフラー２０とを備える。また、燃料電池システムは、空気供給路Ｒ２０と、空気排出路Ｒ２１と、燃料ガス供給路Ｒ１０と、燃料ガス排出路Ｒ１１と、第１循環路Ｒ１２と、第２循環路Ｒ１３と、生成水排出路Ｒ１４とを備える。なお、イオン溶液貯留槽１９については、設置位置の他例が点線で示されている。
【００１４】
制御装置１０は、燃料電池システムの動作を制御する。制御装置１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを有し、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。なお、制御装置１０は、プログラムで動作するものに限定されず、ハードウェアのみで動作するものであってもよい。制御装置１０は、例えばアクセルやブレーキなどの車両の操作や車両の状態に応じた要求信号ＲＱに従い、制御信号Ｓ１〜Ｓ３をエアコンプレッサ１４、燃料ガス調圧弁１２、及びパージ弁１７に出力する。
【００１５】
燃料電池１３には、燃料ガスの一例である水素ガスを供給するための燃料ガス供給路Ｒ１０と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路Ｒ１１とが接続されている。燃料ガス供給路Ｒ１０には、水素タンク１１及び燃料ガス調圧弁１２が、この順に接続されている。
【００１６】
水素タンク１１は、水素ガス（Ｈ２）の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク１１から燃料ガス調圧弁１２を経由して燃料電池１３のアノード側に導入される。
【００１７】
水素ガスは、燃料ガス調圧弁１２を通過することで圧力が調整される。燃料ガス調圧弁１２は、制御装置１０からの制御信号Ｓ２に基づいて弁の開度を調整することで、燃料電池１３に導入される水素ガスの圧力を調整する。
【００１８】
燃料電池１３から排出された未使用の水素ガス（Ｈ２）であるアノードオフガス（第１オフガス）、及び燃料電池１３内の化学反応で生成された生成水（Ｈ２Ｏ）の一部は、燃料ガス排出路Ｒ１１に導かれる。燃料ガス排出路Ｒ１１は、気液分離器１５に接続されている。
【００１９】
気液分離器１５は、アノードオフガスと生成水を分離して、アノードオフガスを第１循環路Ｒ１２に送出するとともに生成水を貯留する。第１循環路Ｒ１２は、循環ポンプ１６に接続されている。循環ポンプ１６は、アノードオフガスを、第２循環路Ｒ１３を経由して燃料ガス供給路Ｒ１０に導く。これにより、燃料電池１３内の化学反応で使用されなかった水素ガスが、再び燃料電池１３に導入される。
【００２０】
また、気液分離器１５は、パージ弁１７が設けられた生成水排出路Ｒ１４と接続されている。パージ弁１７は、制御装置１０からの制御信号Ｓ３に従って定期的に開放される。パージ弁１７が開放されると、気液分離器１５に貯留された生成水及びアノードオフガスが、生成水排出路Ｒ１４を介して希釈器１８に導入される。なお、希釈器１８については後述する。
【００２１】
また、燃料電池１３には、空気を供給するための空気供給路Ｒ２０と、発電に使用した空気であるカソードオフガス（第２オフガス）を排出するための空気排出路Ｒ２１とが接続されている。空気供給路Ｒ２０には、エアコンプレッサ１４が接続されている。
【００２２】
エアコンプレッサ１４は、燃料電池１３に空気を供給する。より具体的には、エアコンプレッサ１４は、例えば車両の外部から、酸素（Ｏ２）を含む空気を取り込んで燃料電池１３に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、これに限定されない。エアコンプレッサ１４は、制御装置１０からの制御信号Ｓ１に従って駆動され、空気を燃料電池１３のカソード側に導入する。
【００２３】
燃料電池１３から排出されたカソードオフガス、及び燃料電池１３内の化学反応で生成された生成水（Ｈ２Ｏ）の一部は、空気排出路Ｒ２１に導かれる。カソードオフガス及び生成水は、空気排出路Ｒ２１を介して希釈器１８に導入される。希釈器１８は、空気排出路Ｒ２１からのカソードオフガス及び燃料ガス排出路Ｒ１１からのアノードガスを混合して混合ガスを生成することで、アノードオフガス中の水素濃度を希釈する。混合ガスは、後述するイオン溶液貯留槽１９に導入される。なお、イオン溶液貯留槽１９については後述する。
【００２４】
燃料電池１３は、固体高分子型燃料電池であり、複数の燃料電池セルの積層体（スタック）として構成される。各燃料電池セルは、電解質膜１３２の両側にアノード電極（燃料極）１３３及びカソード電極（空気極）１３１が接合された膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）１３０を有する。アノード電極１３３には水素ガスが供給され、カソード電極１３１には空気が供給される。
【００２５】
アノード電極１３３に供給された水素ガスとカソード電極１３１に供給された空気内の酸素は、電解質膜１３２を介したイオン交換により化学反応して、生成水及び電気が生成される。これにより、燃料電池１３は発電して電力ＰＷを出力する。
【００２６】
電解質膜１３２としては、例えばナフィオンなどのスルホン酸基を含むものが用いられる。この種の電解質膜１３２は、燃料電池１３の運転中に生ずるラジカルや過酸化水素により分解される。電解質膜１３２が分解すると、スルホン酸基により硫酸イオン（ＳＯ４２−）が生成される。硫酸イオンは、アノードオフガス、カソードオフガス、及び生成水に含まれた状態で、燃料電池１３から燃料ガス排出路Ｒ１１及び空気排出路Ｒ２１に排出される。より具体的には、硫酸イオンの一部は、亜硫酸ガスなどに変化してアノードオフガス及びカソードオフガスに含まれるが、硫酸イオンの多くは、生成水に含まれる。
【００２７】
イオン溶液貯留槽１９は、タンクの一例であり、金属イオンが含まれる水溶液（以下、「イオン溶液」と表記）を貯留する。イオン溶液貯留槽１９は、アノードオフガスとカソードオフガスの混合ガス、及び生成水がイオン溶液を通過するように、希釈器１８を介して燃料ガス排出路Ｒ１１及び空気排出路Ｒ２１に接続されている。
【００２８】
イオン溶液貯留槽１９内のイオン溶液中では、金属イオンと、アノードオフガス、カソードオフガス、及び生成水に含まれる硫酸イオンとが化学反応する。これにより、イオン溶液貯留槽１９内に固体塩が析出する。金属イオンの一例としては、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）が挙げられる。カルシウムイオンは、下記の式（１）のように、硫酸イオンと化学反応することで、固体塩の１種である硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）を析出させる。
【００２９】
Ｃａ２＋＋ＳＯ４２−→ＣａＳＯ４    ・・・（１）
【００３０】
硫酸カルシウムの析出量は、電解質膜１３２の分解により溶出した硫酸イオンの量に比例するため、後述するように、硫酸カルシウムの析出量から電解質膜１３２の劣化の程度を判定することができる。なお、金属イオンとしては、カルシウムイオンに限定されず、硫酸イオンと反応してイオン溶液中で固体塩を析出させるものであればよく、例えばバリウムイオン（Ｂａ２＋）または鉛イオン（Ｐｂ２＋）などが用いられてもよい。この場合、固体塩として、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）または硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）が析出する。イオン溶液貯留槽１９を通過した混合ガスは、消音機能を備えるマフラー２０を介して外気に排出される。
【００３１】
図２は、イオン溶液貯留槽１９の一例を示す構成図である。イオン溶液貯留槽１９は、例えば車両本体から着脱自在であり、その内部にはカルシウムイオンを含むイオン溶液３１が貯留されている。イオン溶液貯留槽１９は、希釈器１８からの導入路１８０及びマフラー２０への導出路２００と接続されている。導入路１８０及び導出路２００は、イオン溶液貯留槽１９の上面から内部に挿入され、下方に開口している。
【００３２】
イオン溶液貯留槽１９には、導入路１８０からアノードオフガスとカソードオフガスの混合ガス（「オフガス」参照）と生成水３０が導入される。生成水３０は、液体の状態または混合ガスに含まれた気体の状態（つまり水蒸気の状態）でイオン溶液貯留槽１９に導入される。
【００３３】
導入路１８０の先端部１８０ａは、イオン溶液３１の液面３１ａより下に位置しているため、混合ガス及び生成水３０はイオン溶液３１を通過する。このため、混合ガス及び生成水３０に含まれる硫酸イオン（ＳＯ４２−）は、イオン溶液内のカルシウムイオン（Ｃａ２＋）と化学反応して、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）３２が析出する。
【００３４】
硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）３２は、イオン溶液３１内の水に溶けないため、イオン溶液貯留槽１９の底に沈殿する。このため、沈殿した硫酸カルシウム３２を、イオン溶液貯留槽１９から取り出し、その重量を測定することで、燃料電池１３の電解質膜１３２の厚みを算出して劣化の程度を判定できる。なお、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）または硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）も同様に水に溶けないため、その重量から燃料電池１３の電解質膜１３２の劣化の程度を判定できる。
【００３５】
また、導出路２００の先端２００ａは、イオン溶液３１の液面より上方に位置しているため、イオン溶液３１を通過した混合液は、導出路２００を介してマフラー２０に導入される。一方、生成水３０は、イオン溶液３１と混合されてイオン溶液貯留槽１９内に残留する。なお、本例では、混合ガスと生成水３０の両方がイオン溶液３１を通過するが、これに限定されず、液体状態の生成水３０だけがイオン溶液３１を通過してもよい。
【００３６】
図３は、イオン溶液貯留槽１９の他例を示す構成図である。図３において、図２と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
イオン溶液貯留槽１９は、希釈器１８からの導入路１８１及びマフラー２０への導出路２０１と接続されている。導入路１８１はイオン溶液貯留槽１９の側面から内部に挿入され、側方に開口している。導出路２０１はイオン溶液貯留槽１９の上面から内部に挿入され、下方に開口している。
【００３８】
イオン溶液貯留槽１９には、導入路１８１からアノードオフガスとカソードオフガスの混合ガス（「オフガス」参照）と液体の生成水３２が導入される。導入路１８１の先端１８１ａは、イオン溶液３１の液面３１ａより上に位置しているため、生成水３０は、矢印Ｆで示されるように落下してイオン溶液３１に導入される。これにより、上記の式（１）で示された化学反応が生じて、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）３２が析出する。
【００３９】
また、混合ガスは、導出路２０１の先端２０１ａがイオン溶液３１の液面３１ａより上に位置しているため、イオン溶液３１を通過することなくマフラー２０に排出される。このとき、混合ガスは、イオン溶液貯留槽１９の側面１９１に衝突することで減速するため、混合ガス内の水蒸気が側面１９１で冷却されることにより、水滴３３が側面１９１に生ずる。水滴３３は、符号Ｆ’で示されるように、側面１９１を伝ってイオン溶液３１へと落下する。
【００４０】
この水滴３３は、燃料電池１３の化学反応で生じた生成水の一部であるため、硫酸イオンを含んでいる。このため、水滴３３の落下により、上記の式（１）で示された化学反応が生じて、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）３２が析出する。以下に、析出した硫酸カルシウム３２を取り出す手法について述べる。
【００４１】
図４には、硫酸カルシウム３２の取り出し手段の一例が示されている。本実施例において、硫酸カルシウム３２は、ろ過により取り出される。
【００４２】
より具体的には、イオン溶液貯留槽１９を車体から取り外して上部の蓋を開放して、イオン溶液３１を、符号Ｄで示されるように、ろ紙４１がセットされた漏斗４０に流し込む。これにより、イオン溶液３１内の硫酸カルシウム３２が、ろ紙４１の上に取り出される。このようにして取り出された硫酸カルシウム３２の析出量を測定することで、電解質膜１３２の劣化の程度を判定することが可能である。
【００４３】
図５は、燃料電池１３の使用期間に対する硫酸カルシウム３２の重量の変化の一例を示すグラフである。図５において、横軸は燃料電池１３の使用期間を示し、縦軸は硫酸カルシウム３２の重量を示す。一例として、硫酸カルシウム３２の重量は、燃料電池１３の使用期間に比例するが、これに限定されない。なお、本例では、硫酸カルシウム３２の析出量として重量を測定するが、これに限定されず、例えば体積を測定してもよい。
【００４４】
硫酸カルシウム３２の重量は、例えば１年ごとに車両点検などで測定され、硫酸カルシウム３２の重量が所定の閾値Ｗｔｈを上回った場合、電解質膜１３２の劣化の程度が、交換が必要とされる段階であると判定され、燃料電池１３の保守が行われる。このため、本実施例の燃料電池システムによると、電解質膜１３２の劣化が容易に検出できる。なお、硫酸カルシウム３２の重量測定は、使用期間によらずに、車両の走行距離に応じて行われてもよい。
【００４５】
重量の閾値Ｗｔｈは、例えば燃料電池１３の発電に影響のある電解質膜１３２の厚み変化に基づいて予め算出される。例えば、電解質膜１３２について、密度ρ≒２（ｇ／ｃｍ３）、厚み変化ｄ≒０．０００１（ｃｍ）、スルホン酸基の等化質量ＥＷ≒７００（ｇ／ｍｏｌ）、電極面積Ａ≒１６００００（ｃｍ２）とする。
【００４６】
この場合、電解質膜１３２に含まれる硫酸イオンの相当量α＝ρ×ｄ×Ａ／ＥＷ≒０．０５（ｍｏｌ）であり、全ての電解質膜１３２の分解により生ずる硫酸カルシウム３２の重量ｗ＝１３６α＝１３６×ρ×ｄ×Ａ／ＥＷ≒６（ｇ）である。したがって、閾値Ｗｔｈは、この値に基づいて適切に決定することが可能である。
【００４７】
また、カルシウムイオンの量は、少なくとも閾値Ｗｔｈ分の硫酸カルシウム３２を生成するために必要な量とする。上記の例の場合、必要なカルシウムイオン量は０．０５（ｍｏｌ）であるから、イオン溶液３１としては、例えば１００（ｍｌ）の水にカルシウムイオンを、濃度が０．５Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）となるように溶解させたものが用いられる。
【００４８】
なお、上記の例では、硫酸カルシウム３２の重量と閾値Ｗｔｈを比較することにより電解質膜１３２の劣化の程度を判定したが、硫酸カルシウム３２の重量から電解質膜１３２の厚みを算出し、その算出値が閾値を下回った場合に燃料電池１３の保守が行われてもよい。また、硫酸カルシウム３２の重量を測定せずに、燃料電池システムに硫酸カルシウム３２の析出量を検出する手段が設けられてもよい。
【００４９】
図６は、イオン溶液貯留槽１９の他例を示す構成図である。図６において、図２と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
イオン溶液貯留槽１９ａは、導入路１８０及び導出路２００と接続され、底部に、硫酸カルシウム３２を沈殿させるための筒状部１９２が設けられている。筒状部１９２は、透過性の部材で構成されており、筒状部１９２を挟んで対向する位置には光源５０及び光センサ５１が設けられている。
【００５１】
光源５０は、例えばＬＥＤ（Laser Emission Diode）であり、透過性の筒状部１９２を介し、光センサ５１に向けた光Ｌを出力する。光源５０の位置は、光Ｌが、筒状部１９２の底面Ｓｂから所定の高さ位置ｔｈを通るように決定される。
【００５２】
光センサ５１は、例えばＰＤ（Photo Diode）であり、光Ｌを検出する。光センサ５１は、筒状部１９２内に沈殿した硫酸カルシウム３２により光Ｌが遮断されると、光Ｌを検出できないことを警報ＡＬＭとして制御装置１０に通知する。
【００５３】
例えば、硫酸カルシウム３２の上面の高さ位置ｄ１（＜ｔｈ）の場合、光源５０からの光Ｌは、筒状部１９２及びその内部のイオン溶液３１を透過して光センサ５１で受光される。その後、硫酸カルシウム３２の析出量が増加して、その上面の高さ位置ｄ２（＞ｄ１）が、光Ｌの通過する高さ位置ｔｈを上回ると、光源５０からの光Ｌは、筒状部１９２内の硫酸カルシウム３２により遮断される。このため、光センサ５１は、警報ＡＬＭを制御装置１０に通知する。なお、高さ位置ｄ１，ｄ２は、筒状部１９２の底面Ｓｂからの距離とする。
【００５４】
制御装置１０は、警報ＡＬＭを受けると、例えば警報ランプやブザーなどの手段によりユーザに燃料電池１３の保守を促す。このため、光Ｌの高さ位置ｔｈを上記のような算出に基づいて適切に設定することで、車両の保守点検などによらず、ユーザに電解質膜１３２の劣化を知らせることができる。
【００５５】
再び図１を参照すると、イオン溶液貯留槽１９は、アノードオフガスが排出される燃料ガス排出路Ｒ１１、及びカソードオフガスが排出される空気排出路Ｒ２１が合流する希釈器１８の下流側に設けられている。このため、アノードオフガスの全量、カソードオフガスの全量、及び生成水の全量をイオン溶液３１に通過させることにより、電解質膜１３２から溶出した硫酸イオンを漏れなく硫酸カルシウムとして析出させることができるため、電解質膜１３２の劣化の程度の判定精度が向上する。
【００５６】
しかし、図２に示す構成のように、アノードオフガスの全量、カソードオフガスの全量、及び生成水の全量を水溶液に通過させようとした場合、イオン溶液貯留槽１９内の液面に侵入時に圧力損失が生じるため、燃料電池１３内のカソードおよびアノードの圧力が上昇する。また図３に示す構成であっても、金属イオン溶液を貯留するイオン溶液貯留槽１９の容量は前述のように、例えば１００ｍｌ程度だが、これにアノードオフガスの全量、カソードオフガスの全量、及び生成水の全量を導入するためには、配管を縮小する必要があり、これによっても圧力損失が発生する。燃料電池１３内の圧力が高い場合には、燃料電池内に空気を導入するためのエアコンプレッサ１４の運転に使用される電力量も増加するため、燃料電池システムの効率が低下する場合がある。さらに、排気圧が増加すれば、導出路２００，２０１から混合ガスを排出するとき、イオン溶液３１までもが外部に排出されるおそれもある。
【００５７】
このような影響を低減するためには、導入路１８０，１８１の径を縮小することなく混合ガスをイオン溶液貯留槽１９に導入する手段、イオン溶液３１の排出を防止する手段（例えば、返しの設置）が必要となるため、燃料電池システムの規模が大きくなる。
【００５８】
これを回避するため、イオン溶液貯留槽１９は、アノードオフガスの一部、カソードオフガスの一部、及び生成水の一部のうち、少なくとも１つをイオン溶液３１に通過させ、析出した硫酸カルシウムの重量と各々の流量の比率とに基づいて電解質膜の劣化または厚みを推定してもよい。この場合、アノードオフガスの圧損増加、カソードオフガスの圧損増加は小さいため、燃料電池システムの規模を抑えることができる。
【００５９】
また、イオン溶液貯留槽１９は、希釈器１８の下流側に設けられる必要がなく、点線の符号１９で示されるように、空気排出路Ｒ２１上、燃料ガス排出路Ｒ１１上、あるいは生成水排出路Ｒ１４上に設けられてもよい。なお、空気排出路Ｒ２１、燃料ガス排出路Ｒ１１、及び生成水排出路Ｒ１４は、アノードオフガス、カソードオフガス、及び生成水の少なくとも１つを排出する排出路の一例である。
【００６０】
イオン溶液貯留槽１９が空気排出路Ｒ２１上に設けられた場合、カソードオフガス及び生成水の一部に含まれる硫酸イオンとカルシウムイオンの化学反応により硫酸カルシウムが析出する。また、イオン溶液貯留槽１９が燃料ガス排出路Ｒ１１上または生成水排出路Ｒ１４上に設けられた場合、アノードオフガス及び生成水の一部に含まれる硫酸イオンとカルシウムイオンの化学反応により硫酸カルシウムが析出する。
【００６１】
なお、気液分離器１５がアノード側だけでなく、カソード側（例えば空気排出路Ｒ２１上）にも設けられた場合、オフガスから分離された生成水だけを、例えば図３のようなイオン溶液貯留槽１９によりイオン溶液３１に通過させてもよい。上述したように、ほとんどの硫酸イオンは生成水に溶解しているため、この手法によると、燃料電池システムの規模を抑えつつ、電解質膜１３２の劣化の程度の判定精度の向上が可能である。
【００６２】
これまで述べたように、実施例に係る燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池１３と、空気排出路Ｒ２１と、燃料ガス排出路Ｒ１１と、生成水排出路Ｒ１４と、イオン溶液貯留槽１９とを有する。固体高分子型燃料電池１３は、スルホン酸基を含む電解質膜１３２の両側にアノード電極１３３及びカソード電極１３１が接合された膜電極接合体１３０を有する。固体高分子型燃料電池１３は、アノード電極１３３に供給された水素ガスとカソード電極１３１に供給された酸素を、電解質膜１３２を介したイオン交換により反応させる。
【００６３】
空気排出路Ｒ２１、燃料ガス排出路Ｒ１１、及び生成水排出路Ｒ１４は、アノード電極１３３からのアノードオフガス、カソード電極１３１からのカソードオフガス、及び水素ガス及び酸素の反応により生成された生成水の少なくとも１つを排出する。イオン溶液貯留槽１９は、カルシウムイオンが含まれる水溶液を貯留し、アノードオフガス、カソードオフガス、及び生成水の少なくとも１つが水溶液を通過するように空気排出路Ｒ２１、燃料ガス排出路Ｒ１１、及び生成水排出路Ｒ１４の少なくとも１つに接続されている。
【００６４】
カルシウムイオンは、水溶液中で、電解質膜１３２の分解により生成され、アノードオフガス、カソードオフガス、及び生成水の少なくとも１つに含まれる硫酸イオンと反応して硫酸カルシウムを析出可能である。
【００６５】
上記の構成によると、硫酸カルシウムの析出量は、電解質膜１３２の分解により溶出した硫酸イオンの量に比例するため、硫酸カルシウムの析出量から電解質膜１３２の劣化の程度を判断することができる。したがって、本実施例に係る燃料電池システムによると、電解質膜の劣化を容易に検出できる。
【００６６】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０      制御装置
１３      燃料電池
１５      気液分離器
１９      イオン溶液貯留槽
１３０     膜電極接合体
１３１     カソード電極
１３２     電解質膜
１３３     アノード電極
Ｒ１１     燃料ガス排出路
Ｒ１４     生成水排出路
Ｒ２１     空気排出路
【図１】
2017033681.tif 000003
【図２】
2017033681.tif 000004
【図３】
2017033681.tif 000005
【図４】
2017033681.tif 000006
【図５】
2017033681.tif 000007
【図６】
2017033681.tif 000008