燃料電池システム
【課題】固体高分子型燃料電池に使用される、個々の電解質膜の劣化を検出する方法を提供する。
【解決手段】電解質膜の劣化検出方法であって、電解質膜に偏光を入射する工程と、電解質膜を透過した透過光の強度を検出する工程と、透過光の強度の経時変化に基づいて、電解質膜の劣化を判定する工程と、を備える。
【解決手段】電解質膜の劣化検出方法であって、電解質膜に偏光を入射する工程と、電解質膜を透過した透過光の強度を検出する工程と、透過光の強度の経時変化に基づいて、電解質膜の劣化を判定する工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜を備えており、燃料電池の運転・停止に伴って、電解質膜が徐々に劣化する。複数の単セルを積層して構成される燃料電池スタックにおいて、従来、発電性能の低下やガスリーク量の増加等を指標として、間接的に電解質膜の劣化を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６６９３７号公報
【特許文献２】特開２００７−１３４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような検出方法では、燃料電池スタック全体としての劣化状態を判定することはできるものの、劣化が生じている単セルを特定することはできない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、個々の電解質膜の劣化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】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］ 電解質膜の劣化検出方法であって、
（ａ）前記電解質膜に偏光を入射する工程と、
（ｂ）前記電解質膜を透過した透過光の強度を検出する工程と、
（ｃ）前記透過光の強度の経時変化に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する工程と、
を備える電解質膜の劣化検出方法。
【０００８】
燃料電池の運転・停止に伴って、電解質膜の乾燥・吸水が繰り返されると、電解質膜の結晶化が進行する。電解質膜の結晶化が進行すると、電解質膜に入射された偏光が吸収されにくくなるため、透過後の偏光の強度が大きくなる。そのため、透過光の強度の経時変化を監視することによって、容易に、電解質膜の劣化を検出することができる。
【０００９】
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、電解質膜の劣化検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、そのプログラムが記憶された記憶媒体、電解質膜の劣化検出装置、その電解質膜劣化検出装置を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システム概略構成を示す説明図である。
【図２】劣化検出装置の概略構成を模式的に示す模式図である。
【図３】透過光の偏光面の角度の変化を示す図である。
【図４】劣化検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】透過光の経時変化の一例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例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。
【図７】含水率検出処理の流れを表わすフローチャートである。
【図８】含水率の異なる電解質膜を用いて透過光の強度を測定した結果を示す図である。
【図９】電解質膜の含水率と透過光の強度との関係を表す図である。
【図１０】透過光の強度変化を示す図である。
【図１１】変形例の劣化検出装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１０００は、車両に搭載されている。燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００と、アノードガスとしての水素を燃料電池スタック１００に供給して、燃料電池スタック１００から排出された排ガス（以下、アノード排ガスともいう）を外部へ排出するアノードガス給排系と、カソードガスとしての空気を燃料電池スタック１００に供給して、燃料電池スタック１００から排出された排気ガスを外部へ排出するカソードガス給排系と、燃料電池システム１０００の各部の動きを制御する制御部４００と、燃料電池スタック１００における電解質膜の劣化を検出するための劣化検出装置５００と、表示装置６００と、を備える。
【００１２】
燃料電池スタック１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池の単セルが複数積層された構成を有し、アノードガスとしての純水素と、カソードガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
【００１３】
アノードガス給排系は、水素タンク２１０と、アノードガス供給路２２０と、アノード排ガス排出路２７０と、を主に備える。水素タンク２１０は、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。水素タンク２１０は、遮断弁２１２を備え、制御部４００からの指示にしたがって、遮断弁２１２を開閉することによって、水素の供給・停止を行う。
【００１４】
アノードガス供給路２２０には、圧力調整弁２３０が設けられている。水素タンク２１０に貯蔵される水素ガスは、水素タンク２１０に接続するアノードガス供給路２２０に放出された後、圧力調整弁２３０によって所定の圧力に調整されて、燃料電池スタック１００を構成する各単セルのアノードにアノードガスとして供給される。アノード排ガス排出路２７０は、アノードから排出されたアノード排ガスを外部に排出させる。
【００１５】
カソードガス給排系は、エアコンプレッサ３１０と、カソードガス供給路３２０と、カソード排ガス路３３０と、を主に備える。エアコンプレッサ３１０は、エアクリーナ（図示しない）を介して外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、カソードガス供給路３２０を介してカソードガスとして燃料電池スタック１００のカソードに供給する。カソード排ガス路３３０は、カソードから排出されたカソード排ガスを外部に排出させる。
【００１６】
劣化検出装置５００は、燃料電池スタック１００を構成する各単セルに１つずつ設けられ、電解質膜の劣化を検出する装置である。劣化検出装置５００の構成については、後述する。
【００１７】
制御部４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。制御部４００は、劣化検出装置５００の検出結果を取得して、電解質膜の劣化に関する情報を、表示装置６００に表示させる。また、制御部４００は、燃料電池スタック１００の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。
【００１８】
表示装置６００は、例えば、液晶パネル等を備え、制御部４００からの指示にしたがって、電解質膜の劣化に関する情報を表示する。
【００１９】
図２は、劣化検出装置５００の概略構成を模式的に示す模式図である。図２では、燃料電池スタック１００を構成する単セルが備えるＭＥＡ１０の一部が拡大して図示されている。ＭＥＡ１０は、電解質膜１２の両面に触媒層１４と触媒層１６とが積層されている。劣化検出装置５００は、図示するように、電解質膜１２の端部にレーザー光Ｐ１を入射可能に配置されている。
【００２０】
劣化検出装置５００は、レーザー光発振機５２０と、偏光板５６０と、検出器５８０と、を主に備える。レーザー光発振機５２０は、例えば、波長１００μｍ程度のレーザー光（偏光）を発振可能である。本実施例において、レーザー光発振機５２０は、緑色のレーザー光を発振する。なお、レーザー光は、緑色に限定されず、単一波長の可視光であってもよい。
【００２１】
偏光板５６０としては、例えば、結晶性の高い高分子膜を利用する。偏光板５６０は、レーザー光Ｐ１の進行方向と垂直な面内で、モーターによって３６０度回転可能に構成されている。偏光板５６０は、電解質膜１２を透過した透過光Ｐ２を透過または遮断する。なお、本実施例において、偏光板５６０は、３６０度回転可能に構成されているが、後述する透過光Ｐ３の強度の最大値および最小値を測定可能であれば、３６０度回転する構成でなくてもよい。例えば、２７０度回転する構成でもよい。
【００２２】
検出器は、劣化検出装置制御部５８２と、太陽電池パネル５８４と、判断部５８６と、を備える。劣化検出装置制御部５８２は、レーザー光発振機５２０、偏光板５６０を制御する。太陽電池パネル５８４は、受光した光を電力に変換して、判断部５８６に対して出力する。判断部５８６は、太陽電池パネル５８４からの出力を、偏光板５６０を透過した透過光Ｐ３の強度に換算し、透過光Ｐ３の強度変化に基づいて、電解質膜１２の劣化を判断する。具体的には、透過光Ｐ３の強度変化が、予め定められた閾値よりも大きい場合には、劣化と判断する。そして、判断部５８６は、電解質膜１２が劣化していると判断した場合には、その判断結果を入出力ポート(図示しない)を介して制御部４００に対して出力する。
【００２３】
電解質膜１２を透過した透過光Ｐ２は、電解質膜１２に入射されるレーザー光Ｐ１の偏光面に対して角度が変化していることが多い。この角度は、電解質膜１２の結晶化の変化、含水状態等によって変化する。図３は、透過光Ｐ３の偏光面の角度の変化を示す図である。図３では、初期（新品）の電解質膜１２（含水率０％、含水率１００％）と、長時間使用した後の電解質膜１２（含水率０％、含水率１００％）、それぞれを透過した透過光Ｐ３の強度を図示している。図示するように、長時間使用した後の電解質膜を透過した透過光の最大値と、初期の電解質膜を透過した透過光の最大値とを比べると、偏光面がδθ変化している。なお、図３において、初期の電解質膜の含水率０％と１００％とを比較すると、微小ではあるが、透過光Ｐ３の偏光面の角度が変化している。すなわち、電解質膜の含水状態によっても、透過光Ｐ３の偏光面の角度は変わる。
【００２４】
本実施例における判断部５８６では、偏光板５６０を回転させて、透過光Ｐ３の最大値と最小値を検出し、振幅（（最大値−最小値）／２）を透過光Ｐ３の強度(振幅)として、強度変化を監視している。
【００２５】
図４は、燃料電池システム１０００において実行される劣化検出処理の流れを表わすフローチャートである。この劣化検出処理は、各単セルに対応させて設けられた各劣化検出装置５００において、それぞれ、実施される。燃料電池スタック１００の運転が開始されると、図４に示す劣化検出処理が開始される。
【００２６】
まず、劣化検出装置５００が備える劣化検出装置制御部５８２が、レーザー光発振機５２０を制御して、レーザー光(偏光)を発振させる。レーザー光発振機５２０から発振されたレーザー光Ｐ１が、電解質膜１２に入射される(ステップＳ１０２)。
【００２７】
一方、劣化検出装置制御部５８２は、偏光板５６０を所定の角速度で回転させる。太陽電池パネル５８４は、偏光板５６０を透過した透過光Ｐ３を受光して電力に変換し、その電力を判断部５８６に対して出力する。判断部５８６は、太陽電池パネル５８４から入力される電力に基づいて、透過光Ｐ３の強度に換算する。この換算された強度を、以下、「換算強度」と称する。偏光板５６０が０〜３６０度回転すると、判断部５８６は、透過光Ｐ３の換算強度の最大値と最小値を抽出して、振幅（（最大値−最小値）／２）を透過光Ｐ３の強度(振幅)とする（ステップＳ１０４）。
【００２８】
そして、判断部５８６は、透過光Ｐ３の強度の初期値に対する変化（初期値との差）を算出して、透過光Ｐ３の強度の変化が、閾値よりも大きいか否かを判断する(ステップＳ１０８)。初期値は、未使用の燃料電池スタック１００において検出された、透過光Ｐ３の強度の値である。透過光Ｐ３の強度変化が閾値よりも大きい場合には(ステップＳ１０６においてＹＥＳ)、判断部５８６は、電解質膜１２の劣化を示す信号を、入出力ポートを介して制御部４００へ出力する。本実施例において、強度変化として、初期値との差を用いているが、例えば、強度変化として、初期値に対する変化割合（％）を用いてもよい。
【００２９】
制御部４００は、劣化検出装置５００から電解質膜１２の劣化を示す信号が入力されると、入力信号に基づいて、単セルの番号と共に、電解質膜１２が劣化している旨を示すメッセージ（例えば、「５０番の単セルの電解質膜が劣化しています。交換してください。」等）を、表示装置６００に表示させる(ステップＳ１０８)。すなわち、制御部４００は、複数の劣化検出装置５００のうち、いずれかの劣化検出装置５００から電解質膜の劣化を示す信号が入力されると、表示装置６００に劣化を示すメッセージを表示させる。
【００３０】
一方、透過光Ｐ３の強度の変化が、閾値よりも小さい場合には(ステップＳ１０６において、ＮＯ)、ステップＳ１０２に戻る。すなわち、電解質膜１２の劣化が検出されるまでは、電解質膜１２にレーザー光Ｐ１を入射して、透過光Ｐ３の強度変化を監視する。この劣化検出処理は、燃料電池スタック１００の運転が停止されると、終了する。
【００３１】
上記ステップＳ１０６において用いられる閾値は、予め、実験的に定めることができる。例えば、本実施例の劣化検出装置５００を用いて、燃料電池スタック１００に用いられる電解質膜１２の新品のものと、劣化した電解質膜１２を透過する透過光の強度変化を、実験的に求めておいて、その強度変化に基づいて、閾値を定めてもよい。
【００３２】
以下に、本実施例の劣化検出装置５００における太陽電池パネル５８４に換えて光電子倍増管を用いた劣化検出装置を用いて電解質膜を透過する透過光の強度変化を調べた実験結果を示す。本実施例における含水率検出装置５００を用いて、以下に示すのと同様の方法で、劣化判定に用いる閾値を定めてもよい。
【００３３】
図５は、透過光の経時変化の一例を示す図である。図５では、新品の電解質膜を用いて、透過光の強度を測定した結果(図５において、「初期」と記載)を破線で、冷熱サイクル試験後の電解質膜を用いて透過光の強度を測定した結果を実線で示している。電解質膜としては炭素系電解質膜を用いている。冷熱サイクル試験は、７０℃で５分、−２０℃で３０分を１サイクルとするもので、図５に示す「冷熱サイクル試験後」は、４００時間冷熱サイクルを繰り返し行った後の電解質膜を用いた結果である。
【００３４】
上記した含水率検出処理におけるステップＳ１０４と同様に、偏光板を３６０度回転しつつ、透過光の強度(換算強度)を測定した。図示するように、得られる強度は、９０度ごとに振動するスペクトルである。各点のピーク強度のＩｍａｘ１〜４、Ｉｍｉｎ１〜４の値を読み取り、相加平均によりＩｍａｘ(最大値)、Ｉｍｉｎ(最小値)の値を算出した。
【００３５】
初期の電解質膜を透過した透過光は、換算強度のＩｍａｘ（最大値）が０．０９８、Ｉｍｉｎ(最小値)が０．０４３、振幅(強度)が０．０２８であった。冷熱サイクル試験後の電解質膜を透過した透過光は、換算強度のＩｍａｘ（最大値）が１．４２４、Ｉｍｉｎ（最小値）が０．０６４、振幅(強度)が０．６８０であった。このように、電解質膜が劣化すると、振幅が大きくなる。この場合、強度変化は、０．６１２となる。
【００３６】
燃料電池スタック１００の運転・停止に伴って、電解質膜の乾燥・吸水が繰り返されると、電解質膜の結晶化が進行する。電解質膜の結晶化が進行すると、電解質膜に入射された偏光が吸収されにくくなるため、電解質膜を透過した後の透過光の強度が大きくなると考えられる。そのため、透過光の強度の経時変化を監視することによって、容易に、電解質膜の劣化を検出することができると考えられる。
【００３７】
例えば、本実施例の劣化検出装置５００、電解質膜１２を用いて、上記と同様の実験を行って、冷熱サイクル試験４００時間経過後の透過光の強度変化ΔＩを求める。そして、上記フローチャートにおいて、閾値を実験で求めたΔＩに設定すると、燃料電池スタック１００のいずれかの単セルにおいて、冷熱サイクル試験４００時間実施後の燃料電池と同等以上に電解質膜の劣化が進行している場合には、表示装置６００に警告が表示される。したがって、ユーザは、燃料電池スタック１００の異常、具体的には、電解質膜が劣化していることを知ることができる。
【００３８】
さらに、上記実施例の燃料電池システム１０００では、表示装置６００に電解質膜１２が劣化している単セルの番号も表示される。そのため、ユーザは、電解質膜１２が劣化している単セルを特定することもできる。そのため、例えば、電解質膜が劣化している単セルだけを交換することにより、燃料電池スタック１００に異常が生じる可能性を低減することができる。なお、閾値は、電解質膜の種類、劣化の判断基準等により、種々の値を設定することができる。
【００３９】
また、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００を解体して電解質膜を切り出したりせず、電解質膜の結晶化を検出することができる。そのため、本実施例の燃料電池システム１０００を用いれば、例えば、燃料電池システム１０００を車両に搭載したまま、電解質膜１２の劣化を検出することができる。これは、電解質膜の結晶化を検出する方法として従来考えられている、以下の（Ａ）、（Ｂ）の方法に比較して大きなメリットがある。（Ａ）電解質膜の動的粘弾性率を測定し、貯蔵弾性率の増加に基づいて、結晶化を判断する方法。（Ｂ）電解質膜に熱をかけて、結晶構造を融解させるときに必要な熱量の変化量に基づいて、結晶化を判断する方法。この２つの方法の場合には、電解質膜を切り出して検査するため、燃料電池スタックを解体しないで、電解質膜の劣化を検出することはできない。
【００４０】
また、本実施例における劣化検出装置５００では、偏光を用いて透過光の強度を検出しているため、非偏光(自然光)を用いる場合に比べて、精度よく、透過光の強度を検出することができ、その結果、精度よく、電解質膜１２の劣化を検出することができる。
【００４１】
また、本実施例における劣化検出装置５００では、光発振機として、レーザー光発振機を用い、透過光Ｐ３の検出部として太陽電池パネルを用いている。レーザー光発振機、太陽電池パネルは共に小さいため、劣化検出装置５００を小型化することが可能できる。その結果、単セル１枚ごとに、劣化検出装置を設けて、精度のよい劣化検出を実現することができる。また、透過光Ｐ３の検出部として太陽電池パネルを用いると、光を受けることによって発電するため、外部電力を必要とせず、燃料電池システム１０００の省電力化を図ることができる。
【００４２】
Ｂ．第２の実施例：
図６は、本発明の第２の実施例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。本実施例における燃料電池システム１０００Ａが第１の実施例と異なる主な点は、アノードガス給排系において、アノードガスとしての純水素を加湿する加湿器２５０を備える点と、第１の実施例における劣化検出装置５００に換えて、劣化・含水率検出装置５００Ａを備える点であり、その他の構成は、第１の実施例と同様であるため、同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
本実施例において、加湿器２５０として、バブラー式加湿装置(以下、「バブラー」という）を用いている。バブラーは、温度管理された水の中に乾燥ガスを通すことによって、所定の湿度の加湿ガスを作り出す装置である。後述するように、電解質膜１２の含水率に基づいて、制御部４００によって加湿器２５０が制御され、アノードガスとしての純水素が加湿される。具体的には、制御部４００によって、加湿器２５０に加湿の指示が入力された場合には、加湿器２５０の備える切り替えバルブ２５２、２５４が制御され、アノードガス供給路２２０に放出された乾燥した水素が加湿器３４に導入され、加湿器３４によって所定の湿度（例えば、露点４５℃）に加湿されて、アノードガスとして燃料電池スタック１００のアノードに供給される。なお、アノードガスとしての水素を加湿しない場合は、水素タンク２１０からアノードガス供給路２２０に放出された水素は、加湿器２５０に導入されず、乾燥した水素のまま、燃料電池スタック１００のアノードに供給される。
【００４４】
本実施例における劣化・含水率検出装置５００Ａは、検出器５８０において、電解質膜の劣化の検出に加え、電解質膜の含水率を検出する点以外は、第１の実施例における劣化検出装置５００と同様の構成である。そのため、以下に電解質膜の含水率を検出する工程について説明する。図７は、燃料電池システム１０００Ａにおいて実行される含水率検出処理の流れを表わすフローチャートである。この含水率検出処理は、各単セルに対応させて設けられた各含水率検出装置５００Ａにおいて、それぞれ、実施される。燃料電池スタック１００の運転が開始されると、図７に示す含水率検出処理が開始される。
【００４５】
第１の実施例における劣化検出処理におけるステップＳ１０２、ステップＳ１０４と同様に、透過光Ｐ３の強度を検出する。その後、判断部５８６は、透過光Ｐ３の強度に基づいて含水率を導出し、導出された含水率が、第２の閾値よりも小さいか否か判断する(ステップＳ１１０)。含水率が第２の閾値よりも小さい場合には(ステップＳ１１０においＹＥＳ)、判断部５８６は、電解質膜１２の含水率低下を示す信号を、入出力ポートを介して制御部４００へ出力する。
【００４６】
制御部４００は、劣化・含水率検出装置５００Ａから電解質膜１２の含水率低下を示す信号が入力されると、加湿器２５０を制御して、水素タンク２１０からアノードガス供給路２２０に放出された乾燥水素を加湿して、アノードガスとして、燃料電池スタック１００のアノードに供給させる。すなわち、制御部４００は、複数の劣化・含水率検出装置５００Ａのうち、いずれかの劣化・含水率検出装置５００Ａから電解質膜の含水率低下を示す信号が入力されると、加湿器２５０を制御して加湿された水素をアノードガスとして、燃料電池スタック１００に供給させる。なお、図６では、含水率の検出処理に注目して、その流れを説明したが、本実施例における劣化・含水率検出装置５００Ａでは、電解質膜１２に偏光を入射し（ステップＳ１０２）、偏光板５６０を３６０度回転させつつ透過光Ｐ３の強度を測定し(ステップＳ１０４)、ステップＳ１０４で測定された強度を用いて、電解質膜１２の劣化を判断する（図４：ステップＳ１０６）と共に、電解質膜１２の含水率の低下を判断することができる。
【００４７】
ステップＳ１１０において、判断部５８６は、電解質膜１２の含水率と透過光Ｐ３の強度との関係に基づいて、ステップＳ１０４で求めた透過光Ｐ３の強度から電解質膜１２の含水率を導出する。電解質膜の含水率と透過光の強度との関係は、本実施例における劣化・含水率検出装置５００Ａを用いて、予めを求めておく。
【００４８】
以下に、本実施例の劣化・含水率検出装置５００Ａにおける太陽電池パネル５８４に換えて光電子倍増管を用いた含水率検出装置を用いて電解質膜の含水率と透過光の強度との関係を調べた実験結果を示す。本実施例における劣化・含水率検出装置５００Ａを用いて、以下に示すのと同様の方法で、電解質膜の含水率と透過光の強度との関係を求めることができる。
【００４９】
図８は、含水率の異なる電解質膜を用いて透過光の強度を測定した結果を示す図である。図８には、含水率０％の電解質膜と、含水率１００％の電解質膜（純水に６０分浸漬後、測定）を用いて測定した結果を示している。電解質膜としては炭素系電解質膜を用いている。上記した含水率検出処理におけるステップＳ１０４と同様に、偏光板を３６０度回転しつつ、透過光の強度を測定した。図示するように、得られる強度は、９０度ごとに振動するスペクトルである。各点のピーク強度のＩｍａｘ１〜４、Ｉｍｉｎ１〜４の値を読み取り、相加平均によりＩｍａｘ(最大値)、Ｉｍｉｎ(最小値)の値を算出した。
【００５０】
含水率０％の電解質膜を透過した透過光の換算強度のＩｍａｘ（最大値）は０．２２、Ｉｍｉｎ（最小値）は０．１０、振幅(強度)は０．０６であった。一方、含水率１００％の電解質膜を透過した透過光の換算強度のＩｍａｘ（最大値）は０．４６、Ｉｍｉｎ（最小値）は０．１２、振幅(強度)は０．１７であった。図９は、電解質膜の含水率と透過光の強度との関係を表す図である。図９では、図８から算出した算出結果を図示している。図９に示す電解質膜の含水率を透過光の強度との関係に基づいて、透過光の強度から、電解質膜の含水率を導出することができる。
【００５１】
図１０は、透過光の強度変化を示す図である。図１０では、初期（新品）の電解質膜１２（含水率０％、含水率１００％）と、長時間使用した後の電解質膜１２（含水率０％、含水率１００％）、それぞれを透過した透過光Ｐ３の強度を、本実施例の劣化・含水率検出装置５００を用いて測定した結果を図示している。なお、上述の通り、電解質膜を透過した透過光は、電解質膜に入射される偏光の偏光面に対して角度が変化することが多いが、図１０では、強度変化を明確に示すため、ピークの位置を揃えて、表示している。図示するように、例えば、初期の含水率１００％の電解質膜を透過した透過光の強度は、初期の含水率０％の電解質膜を透過した透過光よりも大きい。また、例えば、含水率０％の長時間使用後の電解質膜を透過した透過光の強度は、含水率０％の初期の電解質膜を透過した透過光よりも大きい。
【００５２】
このように、本実施例の劣化・含水率検出装置５００Ａを用いれば、透過光Ｐ３の強度変化に基づいて、電解質膜１２の劣化を検出すると共に、電解質膜１２の含水状態を監視することができる。したがって、本実施例の燃料電池システム１０００Ａによれば、一つの劣化・含水率検出装置５００Ａにおいて検出される、透過光の強度という１つのパラメーターに基づいて、劣化検出と含水率検出という二つの状態検出を行うことができるため、部品点数を減らすことができ、小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５３】
また、本実施例の燃料電池システム１０００Ａによれば、電解質膜の含水率が、所定の閾値よりも低下した場合に、アノードガスを加湿することにより、電解質膜の含水率の低下を抑制することができる。その結果、電解質膜の含水率の低下による燃料電池性能の低下を抑制することができる。
【００５４】
また、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、電解質膜の含水状態を、透過光の強度変化に基づいて判断しているため、例えば、透過光の偏光面の角度変化に基づいて含水状態を判断する場合に比べて、精度よく、含水状態を判断することができる。
【００５５】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の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で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。
【００５６】
（１）上記実施例において、光の強度を検出する光検出素子として、太陽電池パネル５８４を例示したが、太陽電池パネルに限定されず、その他の光を受けて発電する素子を用いてもよい。また、光を受けて電流を制御する素子（例えば、フォトトランジスタ、ＣＭＯＳ等）を用いてもよいし、種々の光検出素子を用いることができる。
【００５７】
（２）上記実施例において、光発振機としてレーザー光発振機５２０を例示したが、上記実施例に限定されず、例えば、発光ダイオード等の非偏光(自然光)を発振させる光発振機を用いてもよい。非偏光(自然光)を発振させる光発振機を用いる場合には、上記実施例におけるレーザー光発振機５２０と偏光板５６０との間に、もう１枚、偏光板を供える構成にする。非偏光を偏光板を介して、電解質膜に入射することによって、電解質膜に偏光を入射させることができる。なお、上記実施例と同様に、光発振機として、レーザー光発振機５２０を用いる場合に、レーザー光発振機５２０と偏光板５６０との間にもう１枚、偏光板を供える構成にしてもよい。このようにすると、レーザー光発振機５２０から発振されるレーザー光の偏光面のゼロ点を調べることができるため、電解質膜を透過した透過光の、電解質膜に入射された偏光の偏光面に対する角度変化を検出することができる。
【００５８】
（３）上記実施例において、劣化検出装置５００において、電解質膜１２の劣化が検出された場合に、視覚的に報知する方法として表示装置６００にメッセージが表示される例を示したが、電解質膜１２の劣化を報知する方法は、上記実施例に限定されない。例えば、視覚的に報知する方法として、警告ランプを点灯させるようにしてもよい。また、聴覚的に報知する方法として、例えば、音声やブザー音等で報知してもよい。また、触覚的に報知する方法として、振動によって報知してもよい。また、これらを組み合わせてもよい。
【００５９】
（４）上記実施例において、表示装置６００には、電解質膜１２の劣化が検出された単セルの番号が表示されるが、電解質膜１２の劣化のみを表示するようにしてもよい。また、例えば、表示装置６００には、電解質膜１２の劣化のみを表示して、修理の際に、故障診断機等を用いることによって、電解質膜１２の劣化が検出された単セルの番号がわかるような構成にしてもよい。
【００６０】
（５）上記実施例において、燃料電池システム１０００が車両に搭載される例を示したが燃料電池システム１０００は、車両に搭載される場合に限定されず、種々の用途に用いることができる。例えば、燃料電池システム１０００が家庭用コージェネレーションシステム等の定置システムに用いられてもよい。
【００６１】
（６）上記実施例において、電解質膜の劣化検出処理は、燃料電池スタック１００の運転中に、常に実行される例を示したが、上記実施例に限定されない。例えば、燃料電池スタック１００の運転時間が所定の時間（例えば、１００時間）経過する毎に、電解質膜の劣化検出処理が実行されるようにしてもよい。また、車両の定期点検時等に、実行されるようにしてもよい。また、出力電圧、燃料電池内圧、排ガス温度等、種々の条件に基づいて、電解質膜の劣化検出処理が実行されるようにしてもよい。また、劣化検出装置５００が、車両の点検時にのみ接続されて、点検するような構成にしてもよい。
【００６２】
（７）上記実施例において、検出器５８０において、電解質膜１２の劣化を判断する例を示したが、電解質膜１２の劣化は、例えば、制御部４００において判断してもよい。例えば、検出器５８０において、太陽電池パネル５８４からの電力を、制御部４００に出力するようにしてもよい。また、制御部４００とは別個に、各単セルに設けられている劣化検出装置５００からの出力に基づいて、電解質膜の劣化を判断する構成にしてもよい。
【００６３】
（８）上記実施例において、レーザー光（偏光）を電解質膜の厚さ方向に平行に（電解質膜の触媒層との接触面に垂直に）入射させる例を示したが、偏光の入射方向は、上記した実施例に限定されない。図１１は、変形例の劣化検出装置の概略構成を示す図である。変形例の劣化検出装置５００Ｃは、第１の実施例における劣化検出装置５００と同様の構成を備える。変形例の劣化検出装置５００Ｃでは、レーザー光発振機５２０から発振されたレーザー光(偏光)が、電解質膜の触媒層との接触面に平行に入射され、触媒層に平行に電解質膜内を進む。このようにしても、上記実施例と同様に、透過光の強度変化に基づいて、電解質膜の劣化を検出することができる。
【００６４】
（９）また、上記実施例において、レーザー光発振機５２０と偏光板５６０との間に、集光レンズを供える構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１２…電解質膜
１４、１６…触媒層
３４…加湿器
１００…燃料電池スタック
２１０…水素タンク
２１２…遮断弁
２２０…アノードガス供給路
２３０…圧力調整弁
２５０…加湿器
２５２…バルブ
２７０…アノード排ガス排出路
３１０…エアコンプレッサ
３２０…カソードガス供給路
３３０…カソード排ガス路
４００…制御部
５００、５００Ｃ…劣化検出装置
５００Ａ…劣化・含水率検出装置
５２０…レーザー光発振機
５６０…偏光板
５８０…検出器
５８２…劣化検出装置制御部
５８４…太陽電池パネル
５８６…判断部
６００…表示装置
１０００、１０００Ａ…燃料電池システム
Ｐ１…レーザー光
Ｐ２、Ｐ３…透過光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜を備えており、燃料電池の運転・停止に伴って、電解質膜が徐々に劣化する。複数の単セルを積層して構成される燃料電池スタックにおいて、従来、発電性能の低下やガスリーク量の増加等を指標として、間接的に電解質膜の劣化を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６６９３７号公報
【特許文献２】特開２００７−１３４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような検出方法では、燃料電池スタック全体としての劣化状態を判定することはできるものの、劣化が生じている単セルを特定することはできない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、個々の電解質膜の劣化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】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］ 電解質膜の劣化検出方法であって、
（ａ）前記電解質膜に偏光を入射する工程と、
（ｂ）前記電解質膜を透過した透過光の強度を検出する工程と、
（ｃ）前記透過光の強度の経時変化に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する工程と、
を備える電解質膜の劣化検出方法。
【０００８】
燃料電池の運転・停止に伴って、電解質膜の乾燥・吸水が繰り返されると、電解質膜の結晶化が進行する。電解質膜の結晶化が進行すると、電解質膜に入射された偏光が吸収されにくくなるため、透過後の偏光の強度が大きくなる。そのため、透過光の強度の経時変化を監視することによって、容易に、電解質膜の劣化を検出することができる。
【０００９】
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、電解質膜の劣化検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、そのプログラムが記憶された記憶媒体、電解質膜の劣化検出装置、その電解質膜劣化検出装置を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システム概略構成を示す説明図である。
【図２】劣化検出装置の概略構成を模式的に示す模式図である。
【図３】透過光の偏光面の角度の変化を示す図である。
【図４】劣化検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】透過光の経時変化の一例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例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。
【図７】含水率検出処理の流れを表わすフローチャートである。
【図８】含水率の異なる電解質膜を用いて透過光の強度を測定した結果を示す図である。
【図９】電解質膜の含水率と透過光の強度との関係を表す図である。
【図１０】透過光の強度変化を示す図である。
【図１１】変形例の劣化検出装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１０００は、車両に搭載されている。燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００と、アノードガスとしての水素を燃料電池スタック１００に供給して、燃料電池スタック１００から排出された排ガス（以下、アノード排ガスともいう）を外部へ排出するアノードガス給排系と、カソードガスとしての空気を燃料電池スタック１００に供給して、燃料電池スタック１００から排出された排気ガスを外部へ排出するカソードガス給排系と、燃料電池システム１０００の各部の動きを制御する制御部４００と、燃料電池スタック１００における電解質膜の劣化を検出するための劣化検出装置５００と、表示装置６００と、を備える。
【００１２】
燃料電池スタック１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池の単セルが複数積層された構成を有し、アノードガスとしての純水素と、カソードガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
【００１３】
アノードガス給排系は、水素タンク２１０と、アノードガス供給路２２０と、アノード排ガス排出路２７０と、を主に備える。水素タンク２１０は、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。水素タンク２１０は、遮断弁２１２を備え、制御部４００からの指示にしたがって、遮断弁２１２を開閉することによって、水素の供給・停止を行う。
【００１４】
アノードガス供給路２２０には、圧力調整弁２３０が設けられている。水素タンク２１０に貯蔵される水素ガスは、水素タンク２１０に接続するアノードガス供給路２２０に放出された後、圧力調整弁２３０によって所定の圧力に調整されて、燃料電池スタック１００を構成する各単セルのアノードにアノードガスとして供給される。アノード排ガス排出路２７０は、アノードから排出されたアノード排ガスを外部に排出させる。
【００１５】
カソードガス給排系は、エアコンプレッサ３１０と、カソードガス供給路３２０と、カソード排ガス路３３０と、を主に備える。エアコンプレッサ３１０は、エアクリーナ（図示しない）を介して外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、カソードガス供給路３２０を介してカソードガスとして燃料電池スタック１００のカソードに供給する。カソード排ガス路３３０は、カソードから排出されたカソード排ガスを外部に排出させる。
【００１６】
劣化検出装置５００は、燃料電池スタック１００を構成する各単セルに１つずつ設けられ、電解質膜の劣化を検出する装置である。劣化検出装置５００の構成については、後述する。
【００１７】
制御部４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。制御部４００は、劣化検出装置５００の検出結果を取得して、電解質膜の劣化に関する情報を、表示装置６００に表示させる。また、制御部４００は、燃料電池スタック１００の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。
【００１８】
表示装置６００は、例えば、液晶パネル等を備え、制御部４００からの指示にしたがって、電解質膜の劣化に関する情報を表示する。
【００１９】
図２は、劣化検出装置５００の概略構成を模式的に示す模式図である。図２では、燃料電池スタック１００を構成する単セルが備えるＭＥＡ１０の一部が拡大して図示されている。ＭＥＡ１０は、電解質膜１２の両面に触媒層１４と触媒層１６とが積層されている。劣化検出装置５００は、図示するように、電解質膜１２の端部にレーザー光Ｐ１を入射可能に配置されている。
【００２０】
劣化検出装置５００は、レーザー光発振機５２０と、偏光板５６０と、検出器５８０と、を主に備える。レーザー光発振機５２０は、例えば、波長１００μｍ程度のレーザー光（偏光）を発振可能である。本実施例において、レーザー光発振機５２０は、緑色のレーザー光を発振する。なお、レーザー光は、緑色に限定されず、単一波長の可視光であってもよい。
【００２１】
偏光板５６０としては、例えば、結晶性の高い高分子膜を利用する。偏光板５６０は、レーザー光Ｐ１の進行方向と垂直な面内で、モーターによって３６０度回転可能に構成されている。偏光板５６０は、電解質膜１２を透過した透過光Ｐ２を透過または遮断する。なお、本実施例において、偏光板５６０は、３６０度回転可能に構成されているが、後述する透過光Ｐ３の強度の最大値および最小値を測定可能であれば、３６０度回転する構成でなくてもよい。例えば、２７０度回転する構成でもよい。
【００２２】
検出器は、劣化検出装置制御部５８２と、太陽電池パネル５８４と、判断部５８６と、を備える。劣化検出装置制御部５８２は、レーザー光発振機５２０、偏光板５６０を制御する。太陽電池パネル５８４は、受光した光を電力に変換して、判断部５８６に対して出力する。判断部５８６は、太陽電池パネル５８４からの出力を、偏光板５６０を透過した透過光Ｐ３の強度に換算し、透過光Ｐ３の強度変化に基づいて、電解質膜１２の劣化を判断する。具体的には、透過光Ｐ３の強度変化が、予め定められた閾値よりも大きい場合には、劣化と判断する。そして、判断部５８６は、電解質膜１２が劣化していると判断した場合には、その判断結果を入出力ポート(図示しない)を介して制御部４００に対して出力する。
【００２３】
電解質膜１２を透過した透過光Ｐ２は、電解質膜１２に入射されるレーザー光Ｐ１の偏光面に対して角度が変化していることが多い。この角度は、電解質膜１２の結晶化の変化、含水状態等によって変化する。図３は、透過光Ｐ３の偏光面の角度の変化を示す図である。図３では、初期（新品）の電解質膜１２（含水率０％、含水率１００％）と、長時間使用した後の電解質膜１２（含水率０％、含水率１００％）、それぞれを透過した透過光Ｐ３の強度を図示している。図示するように、長時間使用した後の電解質膜を透過した透過光の最大値と、初期の電解質膜を透過した透過光の最大値とを比べると、偏光面がδθ変化している。なお、図３において、初期の電解質膜の含水率０％と１００％とを比較すると、微小ではあるが、透過光Ｐ３の偏光面の角度が変化している。すなわち、電解質膜の含水状態によっても、透過光Ｐ３の偏光面の角度は変わる。
【００２４】
本実施例における判断部５８６では、偏光板５６０を回転させて、透過光Ｐ３の最大値と最小値を検出し、振幅（（最大値−最小値）／２）を透過光Ｐ３の強度(振幅)として、強度変化を監視している。
【００２５】
図４は、燃料電池システム１０００において実行される劣化検出処理の流れを表わすフローチャートである。この劣化検出処理は、各単セルに対応させて設けられた各劣化検出装置５００において、それぞれ、実施される。燃料電池スタック１００の運転が開始されると、図４に示す劣化検出処理が開始される。
【００２６】
まず、劣化検出装置５００が備える劣化検出装置制御部５８２が、レーザー光発振機５２０を制御して、レーザー光(偏光)を発振させる。レーザー光発振機５２０から発振されたレーザー光Ｐ１が、電解質膜１２に入射される(ステップＳ１０２)。
【００２７】
一方、劣化検出装置制御部５８２は、偏光板５６０を所定の角速度で回転させる。太陽電池パネル５８４は、偏光板５６０を透過した透過光Ｐ３を受光して電力に変換し、その電力を判断部５８６に対して出力する。判断部５８６は、太陽電池パネル５８４から入力される電力に基づいて、透過光Ｐ３の強度に換算する。この換算された強度を、以下、「換算強度」と称する。偏光板５６０が０〜３６０度回転すると、判断部５８６は、透過光Ｐ３の換算強度の最大値と最小値を抽出して、振幅（（最大値−最小値）／２）を透過光Ｐ３の強度(振幅)とする（ステップＳ１０４）。
【００２８】
そして、判断部５８６は、透過光Ｐ３の強度の初期値に対する変化（初期値との差）を算出して、透過光Ｐ３の強度の変化が、閾値よりも大きいか否かを判断する(ステップＳ１０８)。初期値は、未使用の燃料電池スタック１００において検出された、透過光Ｐ３の強度の値である。透過光Ｐ３の強度変化が閾値よりも大きい場合には(ステップＳ１０６においてＹＥＳ)、判断部５８６は、電解質膜１２の劣化を示す信号を、入出力ポートを介して制御部４００へ出力する。本実施例において、強度変化として、初期値との差を用いているが、例えば、強度変化として、初期値に対する変化割合（％）を用いてもよい。
【００２９】
制御部４００は、劣化検出装置５００から電解質膜１２の劣化を示す信号が入力されると、入力信号に基づいて、単セルの番号と共に、電解質膜１２が劣化している旨を示すメッセージ（例えば、「５０番の単セルの電解質膜が劣化しています。交換してください。」等）を、表示装置６００に表示させる(ステップＳ１０８)。すなわち、制御部４００は、複数の劣化検出装置５００のうち、いずれかの劣化検出装置５００から電解質膜の劣化を示す信号が入力されると、表示装置６００に劣化を示すメッセージを表示させる。
【００３０】
一方、透過光Ｐ３の強度の変化が、閾値よりも小さい場合には(ステップＳ１０６において、ＮＯ)、ステップＳ１０２に戻る。すなわち、電解質膜１２の劣化が検出されるまでは、電解質膜１２にレーザー光Ｐ１を入射して、透過光Ｐ３の強度変化を監視する。この劣化検出処理は、燃料電池スタック１００の運転が停止されると、終了する。
【００３１】
上記ステップＳ１０６において用いられる閾値は、予め、実験的に定めることができる。例えば、本実施例の劣化検出装置５００を用いて、燃料電池スタック１００に用いられる電解質膜１２の新品のものと、劣化した電解質膜１２を透過する透過光の強度変化を、実験的に求めておいて、その強度変化に基づいて、閾値を定めてもよい。
【００３２】
以下に、本実施例の劣化検出装置５００における太陽電池パネル５８４に換えて光電子倍増管を用いた劣化検出装置を用いて電解質膜を透過する透過光の強度変化を調べた実験結果を示す。本実施例における含水率検出装置５００を用いて、以下に示すのと同様の方法で、劣化判定に用いる閾値を定めてもよい。
【００３３】
図５は、透過光の経時変化の一例を示す図である。図５では、新品の電解質膜を用いて、透過光の強度を測定した結果(図５において、「初期」と記載)を破線で、冷熱サイクル試験後の電解質膜を用いて透過光の強度を測定した結果を実線で示している。電解質膜としては炭素系電解質膜を用いている。冷熱サイクル試験は、７０℃で５分、−２０℃で３０分を１サイクルとするもので、図５に示す「冷熱サイクル試験後」は、４００時間冷熱サイクルを繰り返し行った後の電解質膜を用いた結果である。
【００３４】
上記した含水率検出処理におけるステップＳ１０４と同様に、偏光板を３６０度回転しつつ、透過光の強度(換算強度)を測定した。図示するように、得られる強度は、９０度ごとに振動するスペクトルである。各点のピーク強度のＩｍａｘ１〜４、Ｉｍｉｎ１〜４の値を読み取り、相加平均によりＩｍａｘ(最大値)、Ｉｍｉｎ(最小値)の値を算出した。
【００３５】
初期の電解質膜を透過した透過光は、換算強度のＩｍａｘ（最大値）が０．０９８、Ｉｍｉｎ(最小値)が０．０４３、振幅(強度)が０．０２８であった。冷熱サイクル試験後の電解質膜を透過した透過光は、換算強度のＩｍａｘ（最大値）が１．４２４、Ｉｍｉｎ（最小値）が０．０６４、振幅(強度)が０．６８０であった。このように、電解質膜が劣化すると、振幅が大きくなる。この場合、強度変化は、０．６１２となる。
【００３６】
燃料電池スタック１００の運転・停止に伴って、電解質膜の乾燥・吸水が繰り返されると、電解質膜の結晶化が進行する。電解質膜の結晶化が進行すると、電解質膜に入射された偏光が吸収されにくくなるため、電解質膜を透過した後の透過光の強度が大きくなると考えられる。そのため、透過光の強度の経時変化を監視することによって、容易に、電解質膜の劣化を検出することができると考えられる。
【００３７】
例えば、本実施例の劣化検出装置５００、電解質膜１２を用いて、上記と同様の実験を行って、冷熱サイクル試験４００時間経過後の透過光の強度変化ΔＩを求める。そして、上記フローチャートにおいて、閾値を実験で求めたΔＩに設定すると、燃料電池スタック１００のいずれかの単セルにおいて、冷熱サイクル試験４００時間実施後の燃料電池と同等以上に電解質膜の劣化が進行している場合には、表示装置６００に警告が表示される。したがって、ユーザは、燃料電池スタック１００の異常、具体的には、電解質膜が劣化していることを知ることができる。
【００３８】
さらに、上記実施例の燃料電池システム１０００では、表示装置６００に電解質膜１２が劣化している単セルの番号も表示される。そのため、ユーザは、電解質膜１２が劣化している単セルを特定することもできる。そのため、例えば、電解質膜が劣化している単セルだけを交換することにより、燃料電池スタック１００に異常が生じる可能性を低減することができる。なお、閾値は、電解質膜の種類、劣化の判断基準等により、種々の値を設定することができる。
【００３９】
また、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００を解体して電解質膜を切り出したりせず、電解質膜の結晶化を検出することができる。そのため、本実施例の燃料電池システム１０００を用いれば、例えば、燃料電池システム１０００を車両に搭載したまま、電解質膜１２の劣化を検出することができる。これは、電解質膜の結晶化を検出する方法として従来考えられている、以下の（Ａ）、（Ｂ）の方法に比較して大きなメリットがある。（Ａ）電解質膜の動的粘弾性率を測定し、貯蔵弾性率の増加に基づいて、結晶化を判断する方法。（Ｂ）電解質膜に熱をかけて、結晶構造を融解させるときに必要な熱量の変化量に基づいて、結晶化を判断する方法。この２つの方法の場合には、電解質膜を切り出して検査するため、燃料電池スタックを解体しないで、電解質膜の劣化を検出することはできない。
【００４０】
また、本実施例における劣化検出装置５００では、偏光を用いて透過光の強度を検出しているため、非偏光(自然光)を用いる場合に比べて、精度よく、透過光の強度を検出することができ、その結果、精度よく、電解質膜１２の劣化を検出することができる。
【００４１】
また、本実施例における劣化検出装置５００では、光発振機として、レーザー光発振機を用い、透過光Ｐ３の検出部として太陽電池パネルを用いている。レーザー光発振機、太陽電池パネルは共に小さいため、劣化検出装置５００を小型化することが可能できる。その結果、単セル１枚ごとに、劣化検出装置を設けて、精度のよい劣化検出を実現することができる。また、透過光Ｐ３の検出部として太陽電池パネルを用いると、光を受けることによって発電するため、外部電力を必要とせず、燃料電池システム１０００の省電力化を図ることができる。
【００４２】
Ｂ．第２の実施例：
図６は、本発明の第２の実施例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。本実施例における燃料電池システム１０００Ａが第１の実施例と異なる主な点は、アノードガス給排系において、アノードガスとしての純水素を加湿する加湿器２５０を備える点と、第１の実施例における劣化検出装置５００に換えて、劣化・含水率検出装置５００Ａを備える点であり、その他の構成は、第１の実施例と同様であるため、同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
本実施例において、加湿器２５０として、バブラー式加湿装置(以下、「バブラー」という）を用いている。バブラーは、温度管理された水の中に乾燥ガスを通すことによって、所定の湿度の加湿ガスを作り出す装置である。後述するように、電解質膜１２の含水率に基づいて、制御部４００によって加湿器２５０が制御され、アノードガスとしての純水素が加湿される。具体的には、制御部４００によって、加湿器２５０に加湿の指示が入力された場合には、加湿器２５０の備える切り替えバルブ２５２、２５４が制御され、アノードガス供給路２２０に放出された乾燥した水素が加湿器３４に導入され、加湿器３４によって所定の湿度（例えば、露点４５℃）に加湿されて、アノードガスとして燃料電池スタック１００のアノードに供給される。なお、アノードガスとしての水素を加湿しない場合は、水素タンク２１０からアノードガス供給路２２０に放出された水素は、加湿器２５０に導入されず、乾燥した水素のまま、燃料電池スタック１００のアノードに供給される。
【００４４】
本実施例における劣化・含水率検出装置５００Ａは、検出器５８０において、電解質膜の劣化の検出に加え、電解質膜の含水率を検出する点以外は、第１の実施例における劣化検出装置５００と同様の構成である。そのため、以下に電解質膜の含水率を検出する工程について説明する。図７は、燃料電池システム１０００Ａにおいて実行される含水率検出処理の流れを表わすフローチャートである。この含水率検出処理は、各単セルに対応させて設けられた各含水率検出装置５００Ａにおいて、それぞれ、実施される。燃料電池スタック１００の運転が開始されると、図７に示す含水率検出処理が開始される。
【００４５】
第１の実施例における劣化検出処理におけるステップＳ１０２、ステップＳ１０４と同様に、透過光Ｐ３の強度を検出する。その後、判断部５８６は、透過光Ｐ３の強度に基づいて含水率を導出し、導出された含水率が、第２の閾値よりも小さいか否か判断する(ステップＳ１１０)。含水率が第２の閾値よりも小さい場合には(ステップＳ１１０においＹＥＳ)、判断部５８６は、電解質膜１２の含水率低下を示す信号を、入出力ポートを介して制御部４００へ出力する。
【００４６】
制御部４００は、劣化・含水率検出装置５００Ａから電解質膜１２の含水率低下を示す信号が入力されると、加湿器２５０を制御して、水素タンク２１０からアノードガス供給路２２０に放出された乾燥水素を加湿して、アノードガスとして、燃料電池スタック１００のアノードに供給させる。すなわち、制御部４００は、複数の劣化・含水率検出装置５００Ａのうち、いずれかの劣化・含水率検出装置５００Ａから電解質膜の含水率低下を示す信号が入力されると、加湿器２５０を制御して加湿された水素をアノードガスとして、燃料電池スタック１００に供給させる。なお、図６では、含水率の検出処理に注目して、その流れを説明したが、本実施例における劣化・含水率検出装置５００Ａでは、電解質膜１２に偏光を入射し（ステップＳ１０２）、偏光板５６０を３６０度回転させつつ透過光Ｐ３の強度を測定し(ステップＳ１０４)、ステップＳ１０４で測定された強度を用いて、電解質膜１２の劣化を判断する（図４：ステップＳ１０６）と共に、電解質膜１２の含水率の低下を判断することができる。
【００４７】
ステップＳ１１０において、判断部５８６は、電解質膜１２の含水率と透過光Ｐ３の強度との関係に基づいて、ステップＳ１０４で求めた透過光Ｐ３の強度から電解質膜１２の含水率を導出する。電解質膜の含水率と透過光の強度との関係は、本実施例における劣化・含水率検出装置５００Ａを用いて、予めを求めておく。
【００４８】
以下に、本実施例の劣化・含水率検出装置５００Ａにおける太陽電池パネル５８４に換えて光電子倍増管を用いた含水率検出装置を用いて電解質膜の含水率と透過光の強度との関係を調べた実験結果を示す。本実施例における劣化・含水率検出装置５００Ａを用いて、以下に示すのと同様の方法で、電解質膜の含水率と透過光の強度との関係を求めることができる。
【００４９】
図８は、含水率の異なる電解質膜を用いて透過光の強度を測定した結果を示す図である。図８には、含水率０％の電解質膜と、含水率１００％の電解質膜（純水に６０分浸漬後、測定）を用いて測定した結果を示している。電解質膜としては炭素系電解質膜を用いている。上記した含水率検出処理におけるステップＳ１０４と同様に、偏光板を３６０度回転しつつ、透過光の強度を測定した。図示するように、得られる強度は、９０度ごとに振動するスペクトルである。各点のピーク強度のＩｍａｘ１〜４、Ｉｍｉｎ１〜４の値を読み取り、相加平均によりＩｍａｘ(最大値)、Ｉｍｉｎ(最小値)の値を算出した。
【００５０】
含水率０％の電解質膜を透過した透過光の換算強度のＩｍａｘ（最大値）は０．２２、Ｉｍｉｎ（最小値）は０．１０、振幅(強度)は０．０６であった。一方、含水率１００％の電解質膜を透過した透過光の換算強度のＩｍａｘ（最大値）は０．４６、Ｉｍｉｎ（最小値）は０．１２、振幅(強度)は０．１７であった。図９は、電解質膜の含水率と透過光の強度との関係を表す図である。図９では、図８から算出した算出結果を図示している。図９に示す電解質膜の含水率を透過光の強度との関係に基づいて、透過光の強度から、電解質膜の含水率を導出することができる。
【００５１】
図１０は、透過光の強度変化を示す図である。図１０では、初期（新品）の電解質膜１２（含水率０％、含水率１００％）と、長時間使用した後の電解質膜１２（含水率０％、含水率１００％）、それぞれを透過した透過光Ｐ３の強度を、本実施例の劣化・含水率検出装置５００を用いて測定した結果を図示している。なお、上述の通り、電解質膜を透過した透過光は、電解質膜に入射される偏光の偏光面に対して角度が変化することが多いが、図１０では、強度変化を明確に示すため、ピークの位置を揃えて、表示している。図示するように、例えば、初期の含水率１００％の電解質膜を透過した透過光の強度は、初期の含水率０％の電解質膜を透過した透過光よりも大きい。また、例えば、含水率０％の長時間使用後の電解質膜を透過した透過光の強度は、含水率０％の初期の電解質膜を透過した透過光よりも大きい。
【００５２】
このように、本実施例の劣化・含水率検出装置５００Ａを用いれば、透過光Ｐ３の強度変化に基づいて、電解質膜１２の劣化を検出すると共に、電解質膜１２の含水状態を監視することができる。したがって、本実施例の燃料電池システム１０００Ａによれば、一つの劣化・含水率検出装置５００Ａにおいて検出される、透過光の強度という１つのパラメーターに基づいて、劣化検出と含水率検出という二つの状態検出を行うことができるため、部品点数を減らすことができ、小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５３】
また、本実施例の燃料電池システム１０００Ａによれば、電解質膜の含水率が、所定の閾値よりも低下した場合に、アノードガスを加湿することにより、電解質膜の含水率の低下を抑制することができる。その結果、電解質膜の含水率の低下による燃料電池性能の低下を抑制することができる。
【００５４】
また、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、電解質膜の含水状態を、透過光の強度変化に基づいて判断しているため、例えば、透過光の偏光面の角度変化に基づいて含水状態を判断する場合に比べて、精度よく、含水状態を判断することができる。
【００５５】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の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で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。
【００５６】
（１）上記実施例において、光の強度を検出する光検出素子として、太陽電池パネル５８４を例示したが、太陽電池パネルに限定されず、その他の光を受けて発電する素子を用いてもよい。また、光を受けて電流を制御する素子（例えば、フォトトランジスタ、ＣＭＯＳ等）を用いてもよいし、種々の光検出素子を用いることができる。
【００５７】
（２）上記実施例において、光発振機としてレーザー光発振機５２０を例示したが、上記実施例に限定されず、例えば、発光ダイオード等の非偏光(自然光)を発振させる光発振機を用いてもよい。非偏光(自然光)を発振させる光発振機を用いる場合には、上記実施例におけるレーザー光発振機５２０と偏光板５６０との間に、もう１枚、偏光板を供える構成にする。非偏光を偏光板を介して、電解質膜に入射することによって、電解質膜に偏光を入射させることができる。なお、上記実施例と同様に、光発振機として、レーザー光発振機５２０を用いる場合に、レーザー光発振機５２０と偏光板５６０との間にもう１枚、偏光板を供える構成にしてもよい。このようにすると、レーザー光発振機５２０から発振されるレーザー光の偏光面のゼロ点を調べることができるため、電解質膜を透過した透過光の、電解質膜に入射された偏光の偏光面に対する角度変化を検出することができる。
【００５８】
（３）上記実施例において、劣化検出装置５００において、電解質膜１２の劣化が検出された場合に、視覚的に報知する方法として表示装置６００にメッセージが表示される例を示したが、電解質膜１２の劣化を報知する方法は、上記実施例に限定されない。例えば、視覚的に報知する方法として、警告ランプを点灯させるようにしてもよい。また、聴覚的に報知する方法として、例えば、音声やブザー音等で報知してもよい。また、触覚的に報知する方法として、振動によって報知してもよい。また、これらを組み合わせてもよい。
【００５９】
（４）上記実施例において、表示装置６００には、電解質膜１２の劣化が検出された単セルの番号が表示されるが、電解質膜１２の劣化のみを表示するようにしてもよい。また、例えば、表示装置６００には、電解質膜１２の劣化のみを表示して、修理の際に、故障診断機等を用いることによって、電解質膜１２の劣化が検出された単セルの番号がわかるような構成にしてもよい。
【００６０】
（５）上記実施例において、燃料電池システム１０００が車両に搭載される例を示したが燃料電池システム１０００は、車両に搭載される場合に限定されず、種々の用途に用いることができる。例えば、燃料電池システム１０００が家庭用コージェネレーションシステム等の定置システムに用いられてもよい。
【００６１】
（６）上記実施例において、電解質膜の劣化検出処理は、燃料電池スタック１００の運転中に、常に実行される例を示したが、上記実施例に限定されない。例えば、燃料電池スタック１００の運転時間が所定の時間（例えば、１００時間）経過する毎に、電解質膜の劣化検出処理が実行されるようにしてもよい。また、車両の定期点検時等に、実行されるようにしてもよい。また、出力電圧、燃料電池内圧、排ガス温度等、種々の条件に基づいて、電解質膜の劣化検出処理が実行されるようにしてもよい。また、劣化検出装置５００が、車両の点検時にのみ接続されて、点検するような構成にしてもよい。
【００６２】
（７）上記実施例において、検出器５８０において、電解質膜１２の劣化を判断する例を示したが、電解質膜１２の劣化は、例えば、制御部４００において判断してもよい。例えば、検出器５８０において、太陽電池パネル５８４からの電力を、制御部４００に出力するようにしてもよい。また、制御部４００とは別個に、各単セルに設けられている劣化検出装置５００からの出力に基づいて、電解質膜の劣化を判断する構成にしてもよい。
【００６３】
（８）上記実施例において、レーザー光（偏光）を電解質膜の厚さ方向に平行に（電解質膜の触媒層との接触面に垂直に）入射させる例を示したが、偏光の入射方向は、上記した実施例に限定されない。図１１は、変形例の劣化検出装置の概略構成を示す図である。変形例の劣化検出装置５００Ｃは、第１の実施例における劣化検出装置５００と同様の構成を備える。変形例の劣化検出装置５００Ｃでは、レーザー光発振機５２０から発振されたレーザー光(偏光)が、電解質膜の触媒層との接触面に平行に入射され、触媒層に平行に電解質膜内を進む。このようにしても、上記実施例と同様に、透過光の強度変化に基づいて、電解質膜の劣化を検出することができる。
【００６４】
（９）また、上記実施例において、レーザー光発振機５２０と偏光板５６０との間に、集光レンズを供える構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１２…電解質膜
１４、１６…触媒層
３４…加湿器
１００…燃料電池スタック
２１０…水素タンク
２１２…遮断弁
２２０…アノードガス供給路
２３０…圧力調整弁
２５０…加湿器
２５２…バルブ
２７０…アノード排ガス排出路
３１０…エアコンプレッサ
３２０…カソードガス供給路
３３０…カソード排ガス路
４００…制御部
５００、５００Ｃ…劣化検出装置
５００Ａ…劣化・含水率検出装置
５２０…レーザー光発振機
５６０…偏光板
５８０…検出器
５８２…劣化検出装置制御部
５８４…太陽電池パネル
５８６…判断部
６００…表示装置
１０００、１０００Ａ…燃料電池システム
Ｐ１…レーザー光
Ｐ２、Ｐ３…透過光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の劣化検出方法であって、
（ａ）前記電解質膜に偏光を入射する工程と、
（ｂ）前記電解質膜を透過した透過光の強度を検出する工程と、
（ｃ）前記透過光の強度の経時変化に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する工程と、
を備える電解質膜の劣化検出方法。
【請求項１】
電解質膜の劣化検出方法であって、
（ａ）前記電解質膜に偏光を入射する工程と、
（ｂ）前記電解質膜を透過した透過光の強度を検出する工程と、
（ｃ）前記透過光の強度の経時変化に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する工程と、
を備える電解質膜の劣化検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２６１８２０（Ｐ２０１０−２６１８２０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１３１２１（Ｐ２００９−１１３１２１）
【出願日】平成２１年５月８日（２００９．５．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月８日（２００９．５．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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