燃料電池システム
【課題】燃料電池の電解質膜に生じる永久歪みの進行を好適に検知する。
【解決手段】燃料電池システムは、吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池と、当該特性に起因して生じる電解質膜の塑性変形の程度に対応した指標値を取得する取得部と、取得した指標値が所定値以上である場合に、予め定められた対処動作を行う対処部とを備える。
【解決手段】燃料電池システムは、吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池と、当該特性に起因して生じる電解質膜の塑性変形の程度に対応した指標値を取得する取得部と、取得した指標値が所定値以上である場合に、予め定められた対処動作を行う対処部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、電解質膜の塑性変形を検知する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池に用いられる電解質膜は、吸湿によって膨張する特性を有している。かかる電解質膜は、燃料電池の運転状態の変化、例えば、燃料電池の電気化学反応に伴い発生する生成水の量の変化などによって、含水量が増加すると膨張し、含水量が低下すると収縮する。通常、電解質膜の周縁部はガスケットなどに固定されているので、電解質膜が膨張すると、電解質膜に緩みが生じることとなる。このようにして生じた電解質膜の緩みは、電解質膜が収縮すると緩和されるが、所定以上の緩み（変形）が生じた場合には、電解質膜が塑性変形して永久歪みを生じ、電解質膜が収縮しても、もとの緩みのない状態には戻らなくなる。このような永久歪みが進行すると、緩んだ電解質膜が不規則に折れた形状（以下、膜シワともいう）となり、燃料ガスとしての水素ガスがイオン化しないまま電解質膜を透過するクロスリークの量が増大し、発電性能が低下するおそれがあった。かかる問題は、固体高分子形燃料電池に限らず、吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を用いた燃料電池、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池などにも共通する問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８２６４４号公報
【特許文献２】特開２００９−４８９４９号公報
【特許文献３】ＷＯ２００７／０５２５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の電解質膜に生じる永久歪みの進行を好適に検知することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、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。
【０００６】
［適用例１］燃料電池システムであって、
吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池と、
前記特性に起因して生じる前記電解質膜の塑性変形の程度に対応した指標値を取得する取得部と、
前記取得した指標値が所定値以上である場合に、予め定められた対処動作を行う対処部と
を備えた燃料電池システム。
【０００７】
かかる構成の燃料電池システムは、吸湿によって膨張する電解質膜の塑性変形の程度に対応した指標値を取得するので、電解質膜が塑性変形して生じる永久歪みの進行を好適に検知することができる。しかも、指標値が所定値以上である場合に対処動作を行うので、永久歪みが進行して発電性能を悪化させることを抑制することができる。
【０００８】
［適用例２］前記取得部は、前記電解質膜の含水の程度との相関を有する前記燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて、前記指標値を算出する適用例１記載の燃料電池システム。
【０００９】
かかる構成の燃料電池システムは、電解質膜の含水の程度との相関を有する燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて、指標値を算出する。電解質膜の含水の程度と、燃料電池システムの発電運転時間とは、電解質膜の塑性変形の程度との相関を有するので、かかるパラメータの経時的な値は、電解質膜の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、電解質膜の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００１０】
［適用例３］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記取得部は、前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部を備え、前記電解質膜の含水の程度が所定以下である乾燥状態で前記面圧測定部が測定した面圧に基づいて、前記指標値を取得する燃料電池システム。
【００１１】
かかる構成の燃料電池システムは、乾燥状態の電解質膜の面圧を測定するので、その測定面圧は、電解質膜の一時歪みがほぼ解消され、永久歪みが残った状態で測定された面圧である。かかる条件で測定された電解質膜の面圧は、電解質膜と他の部材との接触状況、すなわち、電解質膜の変形の状況に応じて変化するので、電解質膜の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、電解質膜の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００１２】
［適用例４］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記取得部は、前記電解質膜に固定され、該電解質膜の変形の程度を測定する歪みゲージを有する歪み測定部を備え、前記電解質膜の含水の程度が所定以下である乾燥状態で前記歪み測定部が測定した変形の程度を前記指標値として取得する燃料電池システム。
【００１３】
かかる構成の燃料電池システムは、乾燥状態の電解質膜の変形の程度を測定するので、電解質膜の一時歪みがほぼ解消され、永久歪みが残った状態の電解質膜の変形の程度を測定することができる。したがって、塑性変形の程度を直接的に計測した指標値を用いて、電解質膜の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００１４】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記電解質膜の外縁部は、所定以上の温度に加熱することによって収縮する熱収縮部材によって固定され、前記対処部は、前記熱収縮部材を加熱する加熱部を備え、前記加熱部は、前記対処動作として、前記熱収縮部材を加熱して収縮させ、前記電解質膜に前記外縁部に向けた張力を生じさせる燃料電池システム。
【００１５】
かかる構成の燃料電池システムは、電解質膜の外縁部が熱収縮部材によって固定され、対処動作として熱収縮部材を加熱する。これによって、熱収縮部材は収縮し、電解質膜に外縁部に向けた張力を生じさせるので、塑性変形によって生じた電解質膜の緩みを緩和することができる。その結果、永久歪みの進行による発電性能の悪化を自動的に抑制することができる。
【００１６】
［適用例６］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記電解質膜の少なくとも外縁部は、所定以上の温度に加熱することによって収縮する熱収縮部材によって形成され、前記対処部は、前記熱収縮部材を加熱する加熱部を備え、前記加熱部は、前記対処動作として、前記熱収縮部材を加熱して収縮させ、前記電解質膜に前記外縁部に向けた張力を生じさせる燃料電池システム。
【００１７】
かかる構成の燃料電池システムは、電解質膜の少なくとも外縁部が熱収縮部材によって形成され、対処動作として熱収縮部材を加熱する。これによって、熱収縮部材で形成された電解質膜は収縮し、電解質膜に外縁部に向けた張力を生じさせるので、塑性変形によって生じた電解質膜の緩みを緩和することができる。その結果、永久歪みの進行による発電性能の悪化を自動的に抑制することができる。
【００１８】
［適用例７］前記対処部は、前記対処動作として、前記取得した指標値が所定値以上であることをユーザに報知する報知手段を備えた適用例１ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池システム。
【００１９】
かかる構成の燃料電池システムは、指標値が所定値以上であることをユーザに報知することができるので、ユーザは、電解質膜の塑性変形が所定程度に達したこと、すなわち、電解質膜に所定程度の緩みが生じていることを容易に知ることができる。したがって、ユーザが燃料電池システムを修理に出すなどして、電解質膜の緩みを解消させるための対処を行えば、永久歪みの進行による発電性能の悪化を抑制することができる。
【００２０】
［適用例８］前記歪みゲージは、前記電解質膜のうちの、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流れの下流側に対応する領域に設けられた適用例４記載の燃料電池システム。
【００２１】
かかる構成の燃料電池システムは、歪みゲージが反応ガスの流れの下流側に対応する領域の電解質膜に設けられる。反応ガスの下流側では、上流側に比べて反応ガスが多くの水分を含み、電解質膜の含水量も多くなるので、電解質膜の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜の塑性変形が生じやすい。かかる下流側に歪みゲージを設けることによって、電解質膜が塑性変形して生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。
【００２２】
［適用例９］前記歪みゲージは、前記電解質膜のうちの、重力方向の下方側の領域に設けられた適用例４または適用例８記載の燃料電池システム。
【００２３】
かかる構成の燃料電池システムは、歪みゲージが重力方向の下方側に設けられる。重力方向の下方側は、上方側に比べて重力によって水分が移行しやすく、電解質膜の含水量が多くなるので、電解質膜の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜の塑性変形が生じやすい。かかる下方側に歪みゲージを設けることによって、電解質膜が塑性変形して生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。
【００２４】
［適用例１０］適用例４、適用例８、適用例９のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、発電の最小単位である単セルが複数積層された燃料電池スタックとして構成され、前記歪みゲージは、前記複数の単セルのうちの、前記積層の方向の端部に配置された前記単セルに設けられた燃料電池システム。
【００２５】
かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうちの端部に配置された単セルに歪みゲージが設けられる。燃料電池スタックの端部は、中央部に比べて発電温度が低下しやすいので、電解質膜の含水量が多くなりがちである。そのため、電解質膜の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜の塑性変形が生じやすい。かかる端部の単セルに歪みゲージを設けることによって、複数の単セルのいずれかの電解質膜に生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。
【００２６】
［適用例１１］適用例４、適用例８ないし適用例１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記電解質膜を間に挟んで配置された一対のセパレータを備え、前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方のセパレータは、該セパレータの前記電解質膜側の表面に、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流路となる凹部が形成され、前記歪みゲージは、前記凹部に対応する位置の前記電解質膜に設けられた燃料電池システム。
【００２７】
かかる構成の燃料電池システムは、セパレータの凹部に対応する電解質膜の位置に歪みゲージが設けられる。凹部に対応する位置では、その他の位置に比べて電解質膜に作用する面圧が小さくなるので、電解質膜が変形しやすい。すなわち、塑性変形が生じやすい。かかる凹部に対応する位置に歪みゲージを設けることによって、電解質膜が塑性変形して生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。
【００２８】
［適用例１２］吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池において、該電解質膜の塑性変形の程度を推定する推定方法であって、前記電解質膜の含水の程度との相関を有する前記燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて算出される指標値を用いて、前記塑性変形の程度を推定する推定方法。
【００２９】
かかる推定方法は、電解質膜の含水の程度との相関を有する燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて算出される指標値を用いて、電解質膜の塑性変形の程度を推定する。電解質膜の含水の程度と、燃料電池の発電運転時間とは、電解質膜の塑性変形の程度との相関を有するので、かかるパラメータの経時的な値は、電解質膜の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、塑性変形の程度を精度良く推定することができる。
【００３０】
［適用例１３］燃料電池システムの設計方法であって、
前記燃料電池システムは、
吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池と、
前記電解質膜に固定され、該電解質膜の変形の程度を測定する歪みゲージを有する歪み測定部と、
前記測定した変形の程度が所定の閾値以上の変形である場合に、予め定められた対処動作を行う対処部と
を備え、
前記電解質膜が所定の方向に変形した場合の、該電解質膜の両面のうちの前記所定の方向側の面の変形量が、該電解質膜の降伏点に対応する歪み量以下となる範囲で、前記閾値を設定する
燃料電池システムの設計方法。
【００３１】
かかる構成の設計方法は、電解質膜が変形する方向側の電解質膜の変形量が、電解質膜の降伏点に対応する歪み量以下となる範囲で、対処動作を行うための閾値を設定する。電解質膜が変形する方向側の電解質膜の変形量は、その反対側の電解質膜の変形量よりも大きくなるので、燃料電池システムが、電解質膜の塑性変形を生じる前に対処動作を行う精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システム２０を構成する単セル４０の概略構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池システム２０における緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】緩み対処処理によって、電解質膜４１の緩みが緩和される様子を示す説明図である。
【図５】緩み対処処理に用いる閾値ＴＨ１を設定するための実験結果の具体例である。
【図６】図５に示した実験結果に対応する電解質膜４１の外観等を示す説明図である。
【図７】図５に示した実験結果における含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の塑性変形の程度との関係を示す相関図である。
【図８】第２実施例としての緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】第３実施例としての燃料電池システム２０の第１実施例と異なる構成を示す説明図である。
【図１０】歪みゲージ３５３の取付箇所を示す説明図である。
【図１１】歪みゲージ３５３の取付箇所の他の例を示す説明図である。
【図１２】歪みゲージ３５３の取付箇所の他の例を示す説明図である。
【図１３】第３実施例としての緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】第４実施例としての燃料電池システム２０の第１実施例と異なる構成を示す説明図である。
【図１５】第４実施例としての緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】他の実施形態としての緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図１７】吸湿によって一時歪みが生じた状態の電解質膜４１を示す説明図である。
【図１８】電解質膜４１（膜厚２５μｍ）の歪み率εと、うねり幅Ｗおよびうねり角度θとの関係を示す説明図である。
【図１９】電解質膜４１の膜厚ごとの歪み率εとうねり幅Ｗとの関係を示す説明図である。
【図２０】電解質膜４１の内側歪み率εｉｎと外側歪み率εｏｕｔとの関係を示す説明図である。
【図２１】電解質膜４１の降伏点を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム２０の構成：
本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を図１に示す。燃料電池システム２０は、図示するように、燃料電池スタック３０と燃料ガス供給・排出機構８１と酸化ガス供給・排出機構８２と冷却水供給・排出機構８３と制御ユニット９０とを備えている。
【００３４】
燃料電池スタック３０は、本実施例においては、固体高分子形の燃料電池であり、発電の最小単位である単セル４０を複数積層し、その積層方向の両脇を、出力端子を備えるターミナル６１、インシュレータ６２、エンドプレート６３で順次挟持することによって構成される。ターミナル６１には、燃料電池スタック３０の抵抗を測定する抵抗測定部６５が接続されている。この抵抗測定部６５は、ターミナル６１に交流の電圧をその周波数を掃引しつつ入力する際に、両ターミナル６１間を流れる交流電流を検出することにより、燃料電池スタック３０の交流インピーダンスを測定する。なお、抵抗測定部６５は、燃料電池スタック３０を構成する各々の単セル４０のうちのいずれかに接続してもよい。エンドプレート６３には、温度センサ６６が設けられている。この温度センサ６６は、燃料電池スタック３０の運転温度を検出するために設けられる。なお、温度センサ６６は、燃料電池スタック３０を構成する各々の単セル４０のいずれかに設けてもよいし、単セル４０の各々に設けてもよい。
【００３５】
燃料電池スタック３０の単セル４０に対応する領域の外周部には、加熱器７０が設けられている。この加熱器７０は、後述する熱収縮部材５１を所定温度まで加熱するために設けられる。本実施例では、加熱器７０として電熱ヒータを用いている。本実施例では、加熱器７０は、単セル４０に対応する領域の燃料電池スタック３０の外周部を被覆するように設けられているが、図１では、図示を簡略化している。
【００３６】
燃料ガス供給・排出機構８１は、水素タンク、水素遮断弁、インジェクタ、水素流路等を備えている（図示省略）。この燃料ガス供給・排出機構８１は、水素タンクに貯留された燃料ガスとしての水素ガスを単セル４０の各々に供給する。これによって、水素ガスが、各々の単セル４０における電気化学反応に供される。また、燃料ガス供給・排出機構８１は、単セル４０の電気化学反応に供された水素ガスの排ガスを系外に排出する。なお、排ガスは、循環利用してもよいし、間欠的に系外に排出してもよい。
【００３７】
酸化ガス供給・排出機構８２は、コンプレッサ、空気流路等を備えている（図示省略）。この酸化ガス供給・排出機構８２は、コンプレッサによって外部から取り込んだ空気を酸化ガスとして単セル４０の各々に供給する。これによって、空気が、各々の単セル４０における電気化学反応に供される。また、酸化ガス供給・排出機構８２は、単セル４０の電気化学反応に供された空気の排ガスを系外に排出する。なお、空気の排ガスは、水素の排ガスと混合して排出する構成としてもよい。
【００３８】
冷却水供給・排出機構８３は、ラジエータ、冷却水循環ポンプ、冷却水流路等（図示省略）を備えている。この冷却水供給・排出機構８３は、各々の単セル４０との間で冷却水を循環させ、単セル４０での吸熱とラジエータでの放熱を繰り返すことによって、単セル４０の運転温度を調節する。
【００３９】
上述の各構成機器は、制御ユニット９０により制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等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をＲＡＭに展開して実行することで、出力要求ＯＲと燃料電池システム２０の各種センサＳｎ、例えば、温度センサ６６や電圧センサ（図示省略）などからの信号を受けて、水素遮断弁、インジェクタ、コンプレッサ、冷媒循環ポンプ等（図示省略）の各種アクチュエータＡｍに駆動信号を出力し、燃料電池システム２０の運転全般を制御する。また、制御ユニット９０は、所定のプログラムを実行することによって、取得部９１、対処部９２としても機能する。これらの機能については後述する。
【００４０】
Ａ−２．単セル４０の構成：
単セル４０の概略構成を図２に示す。図２は、燃料電池スタック３０を構成する単セル４０の積層面に直交する方向の単セル４０の断面模式図である。図示するように、単セル４０は、電解質膜４１、アノード４２、カソード４３、ガス拡散層４４，４５、セパレータ４６，４７、熱収縮部材５１，ガスケット５２を備えている。電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。この電解質膜４１は、吸湿によって膨張する特性（以下、膨潤特性ともいう）を有している。本実施例では、電解質膜４１として、膜圧が２５μｍのＮａｆｉｏｎ膜（Ｎａｆｉｏｎは登録商標）を用いた。
【００４１】
電解質膜４１の一方の面には、アノード４２が形成され、他方の面には、カソード４３が形成されている。アノード４２およびカソード４３は、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜４１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。かかる電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３とは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を構成する。
【００４２】
ＭＥＡの両面には、ガス拡散層４４，４５が形成されている。ガス拡散層４４，４５は、ガス拡散層４４，４５に供給された反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）を拡散して、アノード４２またはカソード４３の全面に供給する。ガス拡散層４４，４５は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、カーボンペーパを用いた。
【００４３】
ガス拡散層４４，４５が形成されたＭＥＡの両面は、セパレータ４６，４７で挟持されている。セパレータ４６，４７は、反応ガスの隔壁として機能する部材であり、ガス不透過な導電性部材、例えば、圧縮カーボンやステンレス鋼などの金属材料によって形成される。本実施例では、ステンレス鋼を用いた。このセパレータ４６，４７には、ＭＥＡ側の表面に凹部４８，４９が形成されている。凹部４８，４９は、燃料ガス供給・排出機構８１、酸化ガス供給・排出機構８２によって供給される反応ガスの流路として機能する。また、図示は省略しているが、セパレータ４６，４７には、冷却水供給・排出機構８３によって循環される冷却水の流路を形成する凹部も形成されている。なお、セパレータ４６，４７は、表面が平坦に形成され、内部に反応ガス等の流路が形成されたフラットセパレータであってもよい。この場合、ガス拡散層４４，４５とセパレータ４６，４７との間に、ラスメタルなどの多孔質部材からなる流路層を配置してもよい。
【００４４】
熱収縮部材５１は、ＭＥＡの周縁部を覆うフレーム形状を有しており、ＭＥＡの周縁部に接合されている。この熱収縮部材５１は、所定の熱処理温度Ｔ１で加熱すると収縮する特性を有するように加工処理が施されている。この加工処理は、周知の熱収縮フィルムの技術を用いて行われたものである。具体的には、熱収縮部材５１は、熱収縮部材５１の材料のガラス転移温度Ｔｇ以上、融点Ｔｍ未満の温度Ｔ１で延伸して分子配向を与えられている。かかる加工処理を施すことで、熱収縮部材５１に、熱処理温度Ｔ１以上に加熱することで収縮し、その収縮した状態を保持する特性が付与される。本実施例では、熱収縮部材５１の材料として、膜圧５０μｍのＮａｆｉｏｎ膜を用い、熱処理温度Ｔ１を１５０℃として、縦方向２倍、横方向２倍の延伸処理を行った熱収縮部材５１を用いた。かかる熱収縮部材５１は、後述する緩み対処処理において、加熱器７０によって熱処理温度Ｔ１まで加熱することにより、収縮させるために設けている。逆に言えば、加熱器７０は、熱収縮部材５１を熱処理温度Ｔ１まで加熱できるように調節されている。なお、熱処理温度Ｔ１は、加熱器７０による加熱時の電解質膜４１への熱によるダメージを抑制するために、ガラス転移温度Ｔｇ付近で設定することが望ましい。なお、熱収縮部材５１の材料は、Ｎａｆｉｏｎに限るものではなく、ポリエチレン系、ポリプロピレン系などの種々の樹脂材料とすることができる。
【００４５】
ガスケット５２は、熱収縮部材５１の周縁部を覆うフレーム形状を有しており、熱収縮部材５１の周縁部に接合されている。このガスケット５２は、セパレータ４６，４７の間に配置されており、セパレータ４６，４７と当接し、単セル４０の積層方向への締結力を受けることによって、単セル４０の内部を流れる流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）をシールする。ガスケット５２には、弾性を有する絶縁性樹脂材料を用いることができる。本実施例では、ブチルゴムを用いているが、シリコンゴム、フッ素ゴムなどを用いてもよい。また、熱収縮部材５１と同一材料で、熱収縮部材５１と一体的に形成されていてもよい。
【００４６】
Ａ−３．緩み対処処理：
燃料電池システム２０における緩み対処処理について説明する。緩み対処処理とは、単セル４０を構成する電解質膜４１に緩みが生じ、それに伴い生じる電解質膜４１の塑性変形が所定の程度以上となった場合に、予め定めた対処処理を行う処理であり、本実施例では、制御ユニット９０によって実行される。なお、電解質膜４１の緩みは、電解質膜４１が有する膨潤特性に起因して生じる。緩み対処処理の流れを図３に示す。本実施例においては、緩み対処処理は、燃料電池システム２０の発電運転の起動を契機として開始され、その後、発電運転が停止するまで一定の頻度で繰り返し実行される。緩み対処処理が開始されると、図３に示すように、燃料電池システム２０の制御ユニット９０は、まず、取得部９１の処理として、燃料電池スタック３０の発電の状況を表す所定の運転パラメータに基づいて、電解質膜４１の含水率ＷＣｎを算出する（ステップＳ１１０）。なお、ｎは、現在実行中の緩み対処処理が、繰り返し実行される緩み対処処理のうちのＮ回目（Ｎは１以上の整数）に実行されているものであることを示している。
【００４７】
所定の運転パラメータとは、電解質膜４１の含水の程度との相関を有するものとして予め定められたものである。本実施例においては、所定の運転パラメータとして、抵抗測定部６５で測定した燃料電池スタック３０の抵抗値と、温度センサ６６で検出した燃料電池スタック３０の運転温度とが定められている。単セル４０の抵抗値と電解質膜４１の含水率とは、電解質膜４１の含水率が低くなると、電解質膜４１のイオン伝導率が低下することによって、単セル４０の抵抗値が大きくなる相関を有している。燃料電池スタック３０の運転温度と電解質膜４１の含水率との相関は、例えば、燃料電池スタック３０の発電運転を起動させ、運転温度が常温から定格温度（例えば、８０度程度）まで上昇すれば、生成水の発生量が増加するので、電解質膜４１の含水率が上昇する。また、運転温度が高くなりすぎると、電解質膜４１に含まれる水分が蒸発しやすくなり、電解質膜４１の含水率が低下する。
【００４８】
燃料電池スタック３０の抵抗値は、スタック全体の抵抗値でもよいが、電解質膜４１の含水率との相関の精度を向上させるために、電解質膜４１の抵抗値を用いることが望ましい。電解質膜４１の抵抗値は、測定した交流インピーダンスに基づいてナイキストプロット曲線を算出し、等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、その論理関数の各係数を検出して、等価回路の各パラメータの値を推定することにより求めることができる。また、複数の単セル４０のうちの１つの単セル４０の抵抗値を測定するものであってもよい。かかる場合、燃料電池スタック３０の端部の単セル４０の抵抗値を計測する構成としてもよい。端部の単セル４０は、運転温度が相対的に低温になりがちであり、電解質膜４１が多く水を含んで変形しやすいからである。もとより、運転パラメータは、各々の単セル４０ごとに取得して、単セル４０ごとに含水率ＷＣｎを算出してもよい。こうすれば、単セル４０ごとの状況を的確に把握することができ、精度が向上する。
【００４９】
本実施例においては、含水率ＷＣｎの算出は、所定のパラメータである燃料電池スタック３０の抵抗値と、燃料電池スタック３０の運転温度の値と、電解質膜４１の含水率の値との相関関係を表す関数を制御ユニット９０のメモリに記憶しておき、取得した抵抗値と運転温度とから、当該関数を用いて、含水率ＷＣｎを算出するものとした。この説明からも明らかなように、算出する含水率ＷＣｎは、所定のパラメータに基づく推定値である。上記の関数は、予め燃料電池システム２０に用いる電解質膜４１を用いて実験的に得られる実験式である。なお、含水率ＷＣｎは、関数を用いて算出することに限らず、所定のパラメータと含水率ＷＣｎとを対応付けたマップを記憶しておき、当該マップを用いて含水率ＷＣを取得してもよい。
【００５０】
含水率ＷＣｎを算出すると、制御ユニット９０は、取得部９１の処理として、次式（１）を用いて、指標値ＩＶｎを算出する（ステップＳ１２０）。この指標値ＩＶｎは、電解質膜４１の塑性変形の程度に対応した指標値である。指標値ＩＶｎが、電解質膜４１の塑性変形の程度に対応している理由については後述する。式（１）において、含水率ＷＣｎは、繰り返し実行される緩み対処処理のうちのＮ回目（Ｎは１以上の整数）に実行される、現在実行中の緩み対処処理のステップＳ１１０で算出された含水率ＷＣｎである。時間ΔＴｎは、Ｎ回目の対処処理のステップＳ１２０を実行する時間Ｔｎと、Ｎ−１回目の対処処理のステップＳ１２０を実行した時間Ｔｎ−１との差分である。要するに、指標値ＩＶｎは、経時的に変化する含水率ＷＣを発電運転時間で積算したものである。なお、この積算は、燃料電池システム２０の発電運転の起動と停止が複数回に及ぶ場合には、複数回の発電運転に亘って累積的に積算される。
ＩＶｎ＝Σ（ＷＣｎ×ΔＴｎ）・・・（１）
【００５１】
指標値ＩＶｎを算出すると、制御ユニット９０は、算出した指標値ＩＶｎが予め定められた閾値ＴＨ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。この閾値ＴＨ１は、電解質膜４１の膨潤特性に起因して生じる塑性変形の許容可能な程度を考慮して予め定められたものであり、その設定の考え方については後述する。
【００５２】
その判断の結果、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１未満であれば（ステップＳ１３０：ＮＯ）、電解質膜４１の塑性変形の程度は許容範囲であるということであり、制御ユニット９０は、処理を元に戻す。一方、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上であれば（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、電解質膜４１の塑性変形（緩み）の程度は許容範囲を超えつつあるということである。そこで、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、加熱器７０を起動して燃料電池スタック３０を加熱し、電解質膜４１の緩みを緩和させる（ステップＳ１４０）。本実施例では、この処理は、燃料電池スタック３０の発電運転を一旦停止させてから行うこととした。
【００５３】
ステップＳ１４０の処理については、図４を用いて具体的に説明する。図４（Ａ）は、電解質膜４１の膨潤特性に起因して電解質膜４１に緩みが生じた状態を示している。なお、図４では、電解質膜４１は、その両面にアノード４２，カソード４３が形成されたＭＥＡとして示している。この緩みが生じた電解質膜４１の変形は、電解質膜４１が乾燥状態となることによって収縮し、ものとの形状に戻る一時歪みと、乾燥状態になっても、もとに戻らない永久歪みとを含んでいる。
【００５４】
かかる状態で、ガスケット５２の外方に設けられた加熱器７０によって、熱収縮部材５１を熱処理温度Ｔ１まで間接的に加熱すると、熱収縮部材５１が積層面方向に収縮する。ここで、ガスケット５２は、セパレータ４６，４７に挟持されて固定され、熱収縮部材５１の外方側は、ガスケット５２に固定されていることから、熱収縮部材５１が収縮すると、そのフレーム形状の内側に固定された電解質膜４１は、外縁部側、すなわち、熱収縮部材５１側に向けて熱収縮部材５１に引っ張られる。かかる張力によって、図４（Ｂ）に示すように、電解質膜４１は、緩みを緩和させることができる。特に、加熱器７０によって熱収縮部材５１を熱処理温度Ｔ１まで加熱する過程で、電解質膜４１は、生成水を多量に含んだ状態から乾燥した状態に移行し、収縮するので、一時歪みは概ね解消される。つまり、熱収縮部材５１によって電解質膜４１に生じた張力の大半は、永久歪みによる緩みの緩和に用いられるので、効率的に電解質膜４１の永久歪みによる緩みを緩和することができる。
【００５５】
本実施例の熱収縮部材５１は、２倍の延伸処理が施されているから、例えば、図２に示した断面上のＭＥＡの長さを３００ｍｍ、熱収縮部材５１の長さを２０ｍｍとすれば、熱収縮部材５１は、上記ステップＳ１４０によって、当該断面上の両端で１０ｍｍずつ縮むこととなる。つまり、電解質膜４１は２０ｍｍ分だけ両端から引っ張られて、２０ｍｍ分の緩みを解消できることとなる。なお、この緩み解消長さ２０ｍｍは、電解質膜４１の長さ（３００ｍｍ）の６．７％（＝２０/３００）に相当するので、電解質膜４１の緩みが６．７％以下であれば、上記ステップＳ１４０において、電解質膜４１の緩みをほぼ解消できることとなる。
【００５６】
以上、緩み対処処理の一例について説明したが、本実施例の緩み対処処理は、種々の態様で実現することができる。例えば、含水率ＷＣｎを算出せずに、所定の運転パラメータと、時間ΔＴｎとから、直接的に指標値ＩＶｎを算出する構成としてもよい。また、上述した例では、指標値ＩＶｎを算出するたびに指標値ＩＶｎと閾値ＴＨ１とを比較する構成としたが、含水率ＷＣｎと時間ΔＴｎとを継続的にモニタリングしておき、所定の期間毎に指標値ＩＶｎを算出して閾値ＴＨ１と比較する構成としてもよい。あるいは、指標値ＩＶｎを継続的にモニタリングしておき、所定の期間毎に指標値ＩＶｎと閾値ＴＨ１とを比較する構成としてもよい。また、必ずしも指標値ＩＶｎと閾値ＴＨ１とを比較する必要はなく、例えば、指標値ＩＶｎ、あるいは、上述の運転パラメータなどと対処動作とを対応付けたマップを用いてマップ制御を行ってもよい。かかるマップ制御によっても、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に、熱収縮部材５１を加熱する処理を行うことを実質的に意味する処理を行うことができる。つまり、電解質膜４１の含水の程度との相関を有する燃料電池スタック３０の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて、指標値ＩＶｎを取得し、取得した指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に、熱収縮部材５１の加熱処理を行う構成を実質的に備えていればよい。
【００５７】
Ａ−４．緩み対処処理で用いる閾値ＴＨ１の設定方法：
上述した緩み対処処理で用いる閾値ＴＨ１の設定方法について説明する。以下に説明する方法は、燃料電池システム２０の製造段階において、所定の実験データから閾値ＴＨ１を設定する方法である。閾値ＴＨ１を設定するためには、まず、燃料電池システム２０に用いる単セル４０と同一構造の単セル４０を実験用に用意する。
【００５８】
単セル４０を用意すると、所定の条件で電解質膜４１に少なくともウエットガスを送気し、上述した指標値ＩＶｎに相当する含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の変形状態との関係を調査する。本実施例では、以下の手法を用いた。
手順（１）：単セル４０の温度を単セル４０の定格運転温度である８０℃に保ちつつ、所定の状態に加湿したウエットガス（窒素ガス）を０．５Ｌ／ｍｉｎで所定時間送気（加湿送気）する。
手順（２）：（１）の後、ドライガス（窒素ガス）を０．５Ｌ／ｍｉｎで１０分間送気する。
手順（３）：（１），（２）の乾湿サイクルを所定回数行い、その後、単セル４０を解体して、電解質膜４１の変形状態を観察すると共に、寸法変化を測定する。
【００５９】
かかる手法による実験結果の一例を図５に示す。図５では、同一の構成の単セル４０に対して、実験条件（加湿送気時間ｔ、乾湿サイクル数Ｎ、電解質膜４１の含水率ＷＣ）を変化させた場合の含水率積算値ＩＶと、電解質膜４１の歪みの測定結果とを示している。図５において、加湿送気時間ｔは、上記手順（１）の送気時間である。乾湿サイクル数Ｎは、上記手順（３）のサイクル数である。加湿送気時間積算値Ｔは、加湿送気時間ｔと乾湿サイクル数Ｎとの積、すなわち、上記手順（１）の延べ送気時間である。含水率ＷＣは、上記手順（１）における電解質膜４１の含水率である。含水率積算値ＩＶは、加湿送気時間積算値Ｔと含水率ＷＣとの積である。電解質膜４１の歪率ＤＲは、手順（１）〜（３）によって永久歪みが生じた電解質膜４１の、初期状態（永久歪みのない状態）に対する変形量（長さの増加量）の比率である。
【００６０】
図５に示すように、Ｎｏ．１のサンプルでは、加湿送気時間ｔが２．０時間、乾湿サイクル数Ｎが１０回、含水率ＷＣが１３％の実験条件において、含水率積算値ＩＶが２．６時間、歪率ＤＲが０．２９％となっている。このＮＯ．１のサンプルの電解質膜４１の外観を図６（Ａ）に示す。図６（Ａ）では、電解質膜４１に若干の塑性変形が生じている状態を確認できる。
【００６１】
また、図５に示すように、Ｎｏ．２のサンプルでは、加湿送気時間ｔが２．０時間、乾湿サイクル数Ｎが１０回、含水率ＷＣが２２％の実験条件において、含水率積算値ＩＶが４．４時間、歪率ＤＲが０．５７％となっている。Ｎｏ．２のサンプルは、Ｎｏ．１のサンプルと比べて、加湿送気時間ｔと乾湿サイクル数Ｎとは、同じ値であるが、含水率ＷＣが増加し、それに伴い含水率積算値ＩＶも増加している。結果として、歪率ＤＲは、ＮＯ．１のサンプルよりも大きな値となっている。このＮＯ．２のサンプルの電解質膜４１の外観を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）では、電解質膜４１の塑性変形の程度が、図６（Ａ）に示したＮｏ．１のサンプルよりも大きくなっている状態が確認できる。
【００６２】
また、図５に示すように、Ｎｏ．３のサンプルでは、加湿送気時間ｔが２．０時間、乾湿サイクル数Ｎが１０回、含水率ＷＣが３５％の実験条件において、含水率積算値ＩＶが７．０時間、歪率ＤＲが１．４３％となっている。Ｎｏ．３のサンプルは、Ｎｏ．１，Ｎｏ．２のサンプルと比べて、加湿送気時間ｔと乾湿サイクル数Ｎとは、同じ値であるが、含水率ＷＣが増加し、それに伴い含水率積算値ＩＶも増加している。結果として、歪率ＤＲは、ＮＯ．１，Ｎｏ．２のサンプルよりも大きな値となっている。このＮＯ．３のサンプルの電解質膜４１の外観を図６（Ｃ）に示す。図６（Ｃ）では、電解質膜４１の塑性変形の程度が、図６（Ｂ）に示したＮｏ．２のサンプルよりもさらに大きくなっている状態が確認できる。また、詳細な説明は省略するが、Ｎｏ．４のサンプルでは、Ｎｏ．３のサンプルと同一の実験条件において、歪率ＤＲが３．４３％となっている。以上の説明からも明らかなように、サンプルによって程度は異なるものの、含水率積算値ＩＶが大きくなるにしたがって、歪率ＤＲが大きくなることが分かる。
【００６３】
このサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の電解質膜４１に生じた電解質膜４１の塑性変形（永久歪み）は、模式的に表現すると、図６（Ｅ）に示すような形状である。すなわち、電解質膜４１の周縁部が熱収縮部材５１に固定された状態において、電解質膜４１の永久歪みによる緩みの状態は、電解質膜４１の他の部材との積層面に交わる方向に向かって単純な形状で隆起または陥没した状態（以下、うねりともいう）である。かかる塑性変形の程度においては、電解質膜４１の塑性変形に起因して、電解質膜４１のクロスリークの量が著しく増加することはない。
【００６４】
一方、図５に示すように、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７のサンプルでは、Ｎｏ．３，Ｎｏ．４のサンプルよりも、乾湿サイクル数Ｎを段階的に増加させた結果、含水率積算値ＩＶがそれぞれ１４．０時間、１７．５時間、２１．０時間まで増加している。このときの歪率ＤＲは測定していないが、電解質膜４１の観察によって、膜シワが確認できる状態となっている。膜シワとは、図６（Ｆ）に模式的に示すように、緩んだ電解質膜４１が不規則な方向に折れた形状となった状態である。膜シワは、図６（Ｅ）に示した状態から更に電解質膜４１の塑性変形が進行することによって発生する。図５に示したＮｏ．７のサンプルの電解質膜４１の外観を図６（Ｄ）に示す。図６（Ｄ）では、電解質膜４１の塑性変形の程度が、図６（Ｆ）に示した膜シワの状態に達していることを確認できる。このように膜シワが発生すると、電解質膜４１の塑性変形に起因して、電解質膜４１のクロスリークの量が許容できないレベルまで増加し、発電性能が著しく低下するおそれがあることが確認された。
【００６５】
また、図５に示すように、Ｎｏ．８，Ｎｏ．９のサンプルでは、Ｎｏ．１〜７のサンプルと比べて、加湿送気時間ｔを短くし、乾湿サイクル数Ｎを増加させた実験条件において、含水率積算値ＩＶがそれぞれ４．７時間、５．８時間、歪率ＤＲがそれぞれ０．５７％、３．４３％となっている。Ｎｏ．８，Ｎｏ．９の含水率ＷＣは、Ｎｏ．３〜７と同じ３５％である。このＮｏ．９のサンプルの実験結果とＮｏ．３，Ｎｏ．４のサンプルの実験結果とを比較すると、加湿送気時間積算値Ｔが相対的に小さくても（含水率ＷＣは同じ値であるから、含水率積算値ＩＶが小さくても）、乾湿サイクル数Ｎが増加すると、歪率ＤＲは相対的に大きくなることがみてとれる。つまり、乾湿サイクル数Ｎが多くなると、歪率ＤＲは大きくなる傾向にある。
【００６６】
ここで説明を閾値ＴＨ１の設定方法に戻す。上述したような実験結果が得られると、次に、含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の塑性変形の程度との関係を把握し、膜シワが生じない範囲で閾値ＴＨ１を設定する。この閾値ＴＨ１の設定の考え方は、上述の実験結果を用いて例示する。図７は、上述した実験結果に基づいて、含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の歪率ＤＲとの関係をプロットした関係図である。なお、上述の実験では、膜シワが発生した際の歪率ＤＲは測定していないので、図７では、膜シワ発生時の歪率ＤＲは値０として表示している。図示するように、この例では、含水率積算値ＩＶが増加するにしたがって、膜シワは発生していないものの、歪率ＤＲが増加する傾向にある。そして、含水率積算値ＩＶが１４．０時間以上になると、いずれのサンプルにも膜シワが発生している。つまり、含水率積算値ＩＶが７．０時間と１４．０時間との間に膜シワが発生するか否かのボーダーラインが存在することがみてとれる。本実施例では、かかるボーダーラインを考慮して、閾値ＴＨ１＝８時間として設定した。このように閾値ＴＨ１を設定すれば、上述した緩み対処処理において、膜シワが発生する前に、熱収縮部材５１を加熱して、電解質膜４１の緩みを緩和させ、膜シワの発生を抑制することができる。なお、上述したように、膜シワの発生は、乾湿サイクル数Ｎとの相関も認められるので、乾湿サイクル数Ｎを反映させて、指標値ＩＶｎを算出するようにすれば、さらに検知精度を向上させることができる。
【００６７】
以上、閾値ＴＨ１の設定方法について説明したが、図７に例示した含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の塑性変形の程度との相関関係は、使用する電解質膜４１、アノード４２，カソード４３、ガス拡散層４４，４５、セパレータ４６，４７の材質、形状などの諸元によって異なるので、燃料電池システム２０に使用される単セル４０と同一構造の単セル４０を用いて、上述の実験を行って、その結果に基づいて閾値ＴＨ１を設定することが望ましい。
【００６８】
Ａ−５．効果：
かかる構成の燃料電池システム２０は、吸湿によって膨張する電解質膜４１の塑性変形の程度に対応した指標値ＩＶｎを取得するので、膨潤特性に起因して電解質膜４１が塑性変形して生じる永久歪みの進行を好適に検知することができる。しかも、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に対処動作を行うので、永久歪みが進行して発電性能を悪化させることを抑制することができる。
【００６９】
また、燃料電池システム２０は、電解質膜４１の含水の程度との相関を有する、燃料電池スタック３０の発電の状況を表す所定の運転パラメータの経時的な値に基づいて、指標値ＩＶｎを算出する。電解質膜４１の含水の程度と、燃料電池システム２０の発電運転時間とは、電解質膜４１の塑性変形の程度との相関を有するので、かかるパラメータの経時的な値に基づいて算出された指標値ＩＶｎは、電解質膜４１の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、電解質膜４１の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００７０】
また、燃料電池システム２０は、電解質膜４１の周縁部が熱収縮部材５１によって固定され、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に、熱収縮部材５１を加熱する。これによって、熱収縮部材５１は収縮し、電解質膜４１に周縁部に向けた張力を生じさせるので、塑性変形によって生じた電解質膜４１の緩みを緩和することができる。その結果、永久歪みの進行による発電性能の悪化を自動的に抑制することができる。
【００７１】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について説明する。第２実施例としての燃料電池システム２０の構成は、概ね第１実施例と同一の構成である。第２実施例としての燃料電池システム２０が第１実施例と異なる点は、所定の報知手段（図示省略）を備える点である。この報知手段の詳細は後述する。なお、第１実施例の燃料電池システム２０が備える抵抗測定部６５、温度センサ６６、加熱器７０は、いずれも省略可能である。また、第２実施例としての燃料電池システム２０は、緩み対処処理の流れが第１実施例と異なる。以下、第２実施例としての緩み対処処理について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と共通する点については、説明を簡略化する。
【００７２】
第２実施例としての緩み対処処理の流れを図８に示す。なお、図８において、第１実施例と同一内容の処理については、図３と同一の符号を付して、説明を簡略化する。第２実施例としての緩み対処処理が開始されると、制御ユニット９０は、燃料電池スタック３０の発電の状況を表す所定の運転パラメータに基づいて、電解質膜４１の含水率ＷＣｎを算出し（ステップＳ１１０）、上記式（１）を用いて指標値ＩＶｎを算出する（ステップＳ１２０）。そして、算出した指標値ＩＶｎが予め定められた閾値ＴＨ１以上であると（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、報知手段を用いて、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上であることをユーザに報知する（ステップＳ２４０）。本実施例においては、燃料電池システム２０は、報知手段としてアラームを備える構成とし、当該アラームを鳴動させることで、ユーザに報知を行うこととした。ただし、報知手段は、音声による報知に限らず、種々の表示手段、例えば、ＬＥＤなどの発光装置やディスプレイであってもよいし、種々の通信装置、例えば、電話装置やＥメール送信装置などであってもよい。こうして、第２実施例としての緩み対処処理は終了となる。
【００７３】
かかる構成の燃料電池システム２０は、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に、その旨をユーザに報知するので、ユーザは、電解質膜４１の塑性変形が所定程度に達したこと、すなわち、電解質膜４１に所定程度の緩みが生じていることを容易に知ることができる。したがって、ユーザが燃料電池システム２０を修理に出すなどして、電解質膜４１の緩みを解消させるための対処を行えば、永久歪みの進行による発電性能の悪化を抑制することができる。
【００７４】
上述した第２実施例としての緩み対処処理では、塑性変形の程度を判断する基準値として、第１実施例と同じ値の閾値ＴＨ１を用いたが、この基準値は、第１実施例と異なっていてもよい。例えば、基準値を閾値ＴＨ１よりも小さい値として、より早期にユーザに報知する構成としてもよい。また、第２実施例としての緩み対処処理は、第１実施例としての緩み対処処理と組み合わせてもよい。例えば、算出した指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１よりも小さい予め定められた値以上となった場合に、まず、報知手段を用いて報知を行い、さらに、算出した指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上となった場合に、熱収縮部材５１を加熱して、電解質膜４１の緩みを緩和させてもよい。
【００７５】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について説明する。第３実施例としての燃料電池システム２０の構成は、概ね第１実施例と同一の構成である。第３実施例としての燃料電池システム２０が第１実施例と異なる点は、歪みゲージ３５３を備える点である。なお、第１実施例の燃料電池システム２０が備える抵抗測定部６５、温度センサ６６、加熱器７０は、いずれも省略可能である。また、第３実施例としての燃料電池システム２０は、緩み対処処理の流れが第１実施例と異なる。以下、第３実施例について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と共通する点については、説明を省略または簡略化する。
【００７６】
第３実施例としての燃料電池システム２０は、燃料電池スタック３０を構成する複数の単セル４０の１つに歪みゲージ３５３を備えている。なお、歪みゲージ３５３の数は、複数であっても構わない。歪みゲージ３５３は、図９（Ａ）に示すように、センサ部３５４と導電線３５５とを備えている。センサ部３５４は、電解質膜４１の積層面に貼り付けられている。導電線３５５は、一端側がセンサ部３５４に接続され、他端側が制御ユニット９０に接続されている。この歪みゲージ３５３は、測定対象である電解質膜４１が変形すると、これに追随して電解質膜４１に貼り付けられたセンサ部３５４が歪む。例えば、図９（Ｂ）に示すように、電解質膜４１が十分に吸湿し、膨張することで、電解質膜４１に緩みが生じた際には、センサ部３５４は、電解質膜４１の緩んだ形状に追随して変形する。このようにセンサ部３５４の形状に歪みが生じると、歪みの程度に応じてセンサ部３５４の抵抗値が変化する。制御ユニット９０は、取得部９１の処理として、センサ部３５４の抵抗値の変化を導電線３５５に流れる電流値の大きさの変化から検出し、その検出値に基づいて、電解質膜４１の変形量を測定する。
【００７７】
かかる歪みゲージ３５３の取付位置について説明する。本実施例では、歪みゲージ３５３は、電解質膜４１のセパレータ４７側の積層面、すなわち、カソード４３側に取り付けられている。セパレータ４７の概略構造を図１０に示す。図示するように、セパレータ４７のＭＥＡ側の表面には、酸化ガスの流路となる凹部４９が形成されている。図示するセパレータ４７では、凹部４９は、略矩形のセパレータ４７の短辺の一端側から他端側へ直線的に複数形成されている。歪みゲージ３５３は、この凹部４９を流れる酸化ガスの下流側の位置Ｐ１に対応する領域に取り付けられている。この位置Ｐ１は、凹部４９に対応する位置でもあり、また、重力方向の下方側の位置でもある。なお、上述した形態では、歪みゲージ３５３は、電解質膜４１のセパレータ４７側の面に取り付けられているが、セパレータ４６側の面、すなわち、アノード４２側に取り付けられていてもよい。なお、ガス拡散層４５とセパレータ４７との間にラスメタルなどの多孔質部材からなる流路層を配置する場合には、流路層とセパレータ４７との非接触領域に対応する位置に歪みゲージ３５３を設けてもよい。
【００７８】
かかる位置に歪みゲージ３５３が取り付けられた単セル４０は、本実施例では、燃料電池スタック３０を構成する複数の単セル４０のうちの、単セル４０の積層方向の端部に配置される。このように、歪みゲージ３５３を位置Ｐ１に対応する位置に取り付け、歪みゲージ３５３を取り付けた単セル４０を燃料電池スタック３０の端部に配置する理由については、本実施例の効果として後述する。
【００７９】
以上、第３実施例としての燃料電池システム２０が備える単セル４０の構成について説明したが、セパレータ４７は、種々の形状を採用することができる。例えば、図１１に示すセパレータ４７ａの形状を採用してもよい。具体的には、略矩形のセパレータ４７ａにおいて、短辺の一端側と他端側とを蛇行する１つの流路を形成するように凹部４９ａが形成されていてもよい。かかるセパレータ４７ａを用いる場合には、歪みゲージ３５３は、例えば、図示する位置Ｐ２に対応する位置に取り付けることが望ましい。位置Ｐ２は、凹部４９ａを流れる酸化ガスの下流側の位置であり、また、凹部４９ａに対応する位置、重力方向の下方側の位置である。
【００８０】
あるいは、図１２に示すセパレータ４７ｂの形状を採用してもよい。具体的には、略矩形の四隅が切り欠かれた形状を有するセパレータ４７ｂにおいて、短辺側の両端部は、その内部にエンボス加工によって凹部４９９ｂが形成され、２つの凹部４９９ｂ間を直線的に結ぶ複数の凹部４９ｂが形成されていてもよい。かかるセパレータ４７ｂを用いる場合には、歪みゲージ３５３は、例えば、図示する位置Ｐ３に対応する位置に取り付けることが望ましい。位置Ｐ３は、酸化ガスの下流側の位置であり、また、凹部４９９ｂに対応する位置、重力方向の下方側の位置である。
【００８１】
かかる第３実施例としての燃料電池システム２０における緩み対処処理の流れを図１３に示す。なお、図１３において、第１実施例（図３）と同様の処理内容については、図３と同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。第３実施例としての緩み対処処理は、燃料電池システム２０の発電運転の起動を契機として開始される。図示するように、緩み対処処理が開始されると、制御ユニット９０は、まず、取得部９１の処理として、燃料電池システム２０の暖機運転中に歪みゲージ３５３を用いて、電解質膜４１の塑性変形量ＰＬを測定する（ステップＳ４１０）。
【００８２】
本実施例における暖機運転は、電解質膜４１の含水量が所定以下である乾燥状態となるように制御して行われる。ここでの乾燥状態とは、電解質膜４１が吸湿して膨張することによって生じる一時歪みの影響を無視できる程度に電解質膜４１が乾いた状態をいい、例えば、電解質膜４１の湿度が３０％ＲＨ以下の状態である。かかる乾燥状態の電解質膜４１を模式的に図９（Ｃ）に示す。図示するように、図９（Ｃ）の電解質膜４１は、図９（Ｂ）に示した電解質膜４１と比べて、緩みの程度が小さくなっている。これは、電解質膜４１を乾燥状態にすることによって、電解質膜４１の一時歪みが解消され、電解質膜４１がほぼ永久歪み（塑性変形）のみに起因して緩んだ状態となっているからである。かかる乾燥状態において、歪みゲージ３５３を用いて電解質膜４１の変形量を測定することによって、電解質膜４１の塑性変形量ＰＬを精度良く測定することができる。
【００８３】
このような電解質膜４１の乾燥状態の制御は、例えば、電解質膜４１にドライガスを送気することによって実現することができる。ドライガスの送気は、例えば、酸化ガス供給・排出機構８２の酸化ガス供給経路に、吸湿材を備えた吸湿層内を流通させてから酸化ガスを供給するバイパス流路を設け、酸化ガス供給経路を当該バイパス流路に切り替えて酸化ガスを供給することによって行えばよい。なお、電解質膜４１の湿度制御は、電解質膜４１の湿度を直接的に計測することが困難な場合には、予め、単セル４０に供給する反応ガスの湿度、流量、圧力、温度等の動作条件と、電解質膜４１の湿度との関係を実験的に求めておき、電解質膜４１の湿度が所定以下となる動作条件で暖機運転を行うことによって実現することができる。
【００８４】
塑性変形量ＰＬを測定すると、制御ユニット９０は、測定した塑性変形量ＰＬが予め定めた閾値ＴＨ２以上であるか否かを判断する（ステップＳ４２０）。この閾値ＴＨ２は、電解質膜４１の塑性変形が進行して、上述した膜シワが発生する変形量よりも変形量が小さい範囲で実験的に設定することができる。例えば、第１実施例で図５に示した実験結果を用いれば、閾値ＴＨ２は、歪み率４％や５％などと設定することができる。
【００８５】
判断の結果、塑性変形量ＰＬが閾値ＴＨ２未満であれば（ステップＳ４２０：ＮＯ）、電解質膜４１は、膜シワが発生するおそれがある程度には塑性変形を生じていないということであるから、制御ユニット９０は、緩み対処処理を終了する。一方、塑性変形量ＰＬが閾値ＴＨ２以上であれば（ステップＳ４２０：ＹＥＳ）、電解質膜４１は、膜シワが発生するおそれがある程度に塑性変形しつつあるということであるから、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、加熱器７０を用いて熱収縮部材５１を加熱し、電解質膜４１の緩みを緩和させる（ステップＳ１４０）。
【００８６】
こうして、第３実施例としての緩み対処処理は終了となる。なお、塑性変形量ＰＬが閾値ＴＨ２以上である場合、第２実施例のように、ユーザに報知する構成を採用してもよいし、ユーザへの報知と上記ステップＳ１４０とを段階的に実行する構成としてもよい。さらに、第１実施例の処理と組み合わせてもよい。具体的には、制御ユニット９０は、燃料電池システム２０の暖機運転持には、上述した第３実施例としての緩み対処処理を実行し、燃料電池システム２０の通常運転（定格運転温度付近での運転）時には、第１実施例や第２実施例としての緩み対処処理を実行してもよい。こうすれば、燃料電池システム２０の起動時と通常運転時の両方において、電解質膜４１の塑性変形の程度を検知し、必要に応じて対処動作を行うことができるので、好適である。
【００８７】
かかる構成の燃料電池システム２０は、乾燥状態の電解質膜４１の変形の程度を測定するので、電解質膜４１の一時歪みがほぼ解消され、永久歪みが残った状態の電解質膜４１の変形の程度を測定することができる。したがって、塑性変形の程度を直接的に計測した指標値である塑性変形量ＰＬを用いて、電解質膜４１の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００８８】
また、燃料電池システム２０は、歪みゲージ３５３が、反応ガスの流れの下流側の位置Ｐ１に対応する領域の電解質膜４１に取り付けられる。反応ガスの下流側では、上流側に比べて反応ガスが多くの水分を含み、電解質膜４１の含水量も多くなるので、電解質膜４１の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜の塑性変形が生じやすい。しかも、位置Ｐ１は、重力方向の下方側であるから、上方側に比べて重力によって水分が移行しやすく、電解質膜４１の含水量が多くなるので、電解質膜４１の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜４１の塑性変形が生じやすい。さらに、位置Ｐ１は、セパレータ４７の凹部４９に対応する電解質膜４１の位置であるから、その他の位置に比べて電解質膜４１に作用する面圧が小さくなるので、電解質膜４１が変形しやすい。以上のように、単セル４０のうちで電解質膜４１が変形しやすい領域に歪みゲージ３５３を設けることによって、電解質膜４１が塑性変形して生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。また、歪みゲージ３５３を多数設ける必要がないので、発電への影響を最小限に抑制することができる。
【００８９】
また、燃料電池システム２０は、燃料電池スタック３０を構成する複数の単セル４０のうちの端部に配置された単セル４０に歪みゲージ３５３が設けられる。燃料電池スタック３０の端部は、中央部に比べて発電温度が低下しやすいので、電解質膜４１の含水量が多くなりがちであり、その結果、電解質膜４１の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜４１の塑性変形が生じやすい。したがって、複数の単セル４０のいずれかの電解質膜４１に生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。また、全ての単セル４０に歪みゲージ３５３を設けなくても、塑性変形の検知を精度良く行えるので、効率的である。
【００９０】
Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例について説明する。第４実施例としての燃料電池システム２０の構成は、概ね第１実施例と同一の構成である。第４実施例としての燃料電池システム２０が第１実施例と異なる点は、面圧センサ５１１を備える点である。なお、第１実施例の燃料電池システム２０が備える抵抗測定部６５、温度センサ６６、加熱器７０は、いずれも省略可能である。また、第４実施例としての燃料電池システム２０は、緩み対処処理の流れが第１実施例と異なる。以下、第４実施例について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と共通する点については、説明を省略または簡略化する。
【００９１】
第４実施例としての燃料電池システム２０は、燃料電池スタック３０を構成する複数の単セル４０の１つに複数の面圧センサ５１１を備えている。本実施例における面圧センサ５１１の取り付け位置を図１４に示す。図１４（Ａ）に示すように、複数の面圧センサ５１１は、カソード４３側のガス拡散層４５とセパレータ４７との間で、積層面の上下方向に沿って配列されている。本実施例では、面圧センサ５１１の数は１０個としている。なお、面圧センサ５１１の個数や配列方向は特に限定するものではない。例えば、面圧センサ５１１を横方向に配列したり、斜め方向に配列したりしてもよく、また、複数の方向を組み合わせて配列してもよい。また、面圧センサ５１１は、アノード４２側に設けてもよい。
【００９２】
この面圧センサ５１１を積層面側から見れば、図１４（Ｂ）に示すように、単セル４０の発電領域の中央部に重力方向に沿って配列されている。これらの面圧センサ５１１の検出値は、制御ユニット９０に出力される。なお、面圧センサ５１１は、電解質膜４１の変形を十分に検知でき、かつ、変形を阻害しにくい位置に設けることが望ましい。このようなことから、本実施例では、図１４（Ａ）に示したように、面圧センサ５１１をガス拡散層４５の内部に埋め込んでいる。また、面圧センサ５１１は、第３実施例と同様に、電解質膜４１が変形しやすい単セル４０の領域に設けることが望ましく、複数の単セル４０のうちの電解質膜４１が変形しやすい単セル４０に設けることが望ましい。
【００９３】
面圧センサ５１１としては、例えば、静電容量の電気特性を利用して圧力を測定する静電容量方式を採用することができる。燃料電池スタック３０を一定の加圧力、例えば、１ＭＰａで締結固定した場合には、電解質膜４１に変形がなく平らであれば、各々の面圧センサ５１１には、１ＭＰａの面圧が加わる。かかる締結状態で電解質膜４１が変形して緩みが生じると、アノード４２およびカソード４３の電極間のギャップが変化し、その結果、電極間の静電容量が変化するため、面圧センサ５１１は、その静電容量の変化を圧力の変化に変換して出力する。したがって、図１４に示したように、面圧センサ５１１を複数個配列することにより、配列方向における電解質膜４１の変形を面圧の変化（上昇）として検知することができる。
【００９４】
かかる第４実施例としての燃料電池システム２０における緩み対処処理の流れを図１５に示す。なお、図１５において、第１実施例（図３）と同様の処理内容については、図３と同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。第４実施例としての緩み対処処理は、燃料電池システム２０の発電運転の起動を契機として開始される。図示するように、緩み対処処理が開始されると、制御ユニット９０は、まず、取得部９１の処理として、燃料電池システム２０の暖機運転中に面圧センサ５１１の各々を用いて、電解質膜４１の面圧Ｐｎ（ｎは、Ｎ個のセンサのうちの１〜Ｎの値、ここでは、ｎ＝１〜１０）を測定する（ステップＳ５１０）。ステップＳ５１０での暖機運転は、上述した第３実施例と同様に、電解質膜４１の含水量が所定以下である乾燥状態となるように制御して行われる。こうすることで、電解質膜４１の一時歪みが解消され、電解質膜４１がほぼ永久歪み（塑性変形）のみに起因して緩んだ状態となる。
【００９５】
面圧Ｐｎを測定すると、制御ユニット９０は、取得部９１の処理として、測定した面圧Ｐｎが閾値ＴＨ３を超えた面圧センサ５１１の数をカウント値Ｋとしてカウントする（ステップＳ５２０）。カウント値Ｋをカウントすると、カウント値Ｋが閾値ＴＨ４以上であるか否かを判断する（ステップＳ５３０）。上述した閾値ＴＨ３と閾値ＴＨ４とは、実験的に求める値である。具体的には、電解質膜４１の塑性変形が大きくなると、面圧Ｐｎが大きくなり、また、カウント値Ｋも大きくなるので、実験データに基づいて、膜シワが発生しない範囲で閾値ＴＨ３とＴＨ４とを適宜設定すればよい。本実施例では、閾値ＴＨ３は２ＭＰａ、閾値ＴＨ４は８個とした。なお、電解質膜４１の塑性変形の程度と、面圧Ｐｎやカウント値Ｋとの相関関係は、電解質膜４１の材質、締結条件、面圧センサ５１１の数や配置条件、動作環境等に応じて変化するので、実際の単セル４０と同一の構成の単セル４０を用いて実験を行うことが望ましい。
【００９６】
判断の結果、カウント値Ｋが閾値ＴＨ４未満であれば（ステップＳ５３０：ＮＯ）、電解質膜４１は、膜シワが発生するおそれがある程度には塑性変形を生じていないということであるから、制御ユニット９０は、緩み対処処理を終了する。一方、カウント値Ｋが閾値ＴＨ４以上であれば（ステップＳ５３０：ＹＥＳ）、電解質膜４１は、膜シワが発生するおそれがある程度に塑性変形しつつあるということであるから、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、加熱器７０を用いて熱収縮部材５１を加熱し、電解質膜４１の緩みを緩和させる（ステップＳ１４０）。
【００９７】
こうして、第４実施例としての緩み対処処理は終了となる。なお、カウント値Ｋが閾値ＴＨ４以上である場合、第３実施例と同様に、ユーザに報知する構成を採用してもよいし、ユーザへの報知と上記ステップＳ１４０とを段階的に実行する構成としてもよい。さらに、第１実施例の処理と組み合わせてもよい。
【００９８】
かかる構成の燃料電池システム２０は、乾燥状態の電解質膜４１の面圧Ｐｎを測定するので、その測定面圧Ｐｎは、電解質膜４１の一時歪みがほぼ解消され、永久歪みが残った状態で測定された面圧である。かかる条件で測定された電解質膜４１の面圧Ｐｎは、電解質膜４１と他の部材との接触状況、すなわち、電解質４１膜の変形の状況に応じて変化するので、電解質膜４１の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、電解質膜４１の永久歪みの進行を好適に検知することができる。また、複数の面圧Ｐｎで永久歪みの進行を検知するので、精度が良い。
【００９９】
Ｅ．他の実施形態：
本発明の他の実施形態について説明する。上述した実施例においては、電解質膜４１の塑性変形を許容し、塑性変形の程度に対応した指標値を用いて、膜シワが発生する前に制御ユニット９０が対処動作を行う構成について示したが、以下に説明する実施形態においては、電解質膜４１の塑性変形を許容せずに、塑性変形の発生前に対処動作を行う構成について説明する。他の実施形態としての燃料電池システム２０の構成は、第３実施例と概ね同一の構成を有しており、第２実施例で説明した報知手段を備えている点が第３実施例と異なる。また、緩み対処処理の流れが第３実施例と異なる。以下、他の実施形態について、上述の実施例と異なる点についてのみ説明し、上述の実施例と共通する点については、説明を省略または簡略化する。
【０１００】
他の実施形態としての燃料電池システム２０における緩み対処処理の流れを図１６に示す。なお、図１６において、上述の実施例と同様の処理内容については、上述の実施例の説明図と同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。他の実施形態としての緩み対処処理は、燃料電池システム２０の発電運転を起動し、通常運転に達したことを契機として開始される。図示するように、緩み対処処理が開始されると、制御ユニット９０は、まず、取得部９１の処理として、燃料電池システム２０の通常運転中に歪みゲージ３５３を用いて、電解質膜４１の変形量ＤＬを測定する（ステップＳ６１０）。この処理は、通常運転中に行われるので、すなわち、電解質膜４１が吸湿した状態で行われるので、変形量ＤＬは、電解質膜４１の一時歪みと永久歪みとを含んでいる。
【０１０１】
変形量ＤＬを測定すると、制御ユニット９０は、変形量ＤＬが閾値ＴＨ５以上であるか否かを判断する（ステップＳ６２０）。この閾値ＴＨ５は、電解質膜４１に塑性変形が発生しない範囲の変形量で設定される。閾値ＴＨ５の設定方法については、後述する。
【０１０２】
判断の結果、変形量ＤＬが閾値ＴＨ５未満であれば（ステップＳ６２０：ＮＯ）、電解質膜４１は、塑性変形が発生するおそれがある程度には変形を生じていないということであるから、制御ユニット９０は、緩み対処処理を終了する。一方、変形量ＤＬが閾値ＴＨ５以上であれば（ステップＳ６２０：ＹＥＳ）、電解質膜４１は、塑性変形が発生するおそれがある程度に変形しつつあるということであるから、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、燃料電池システム２０が備える報知手段を用いて、変形量ＤＬが閾値ＴＨ５以上であることをユーザに報知する（ステップＳ２４０）。こうして、緩み対処処理は終了となる。
【０１０３】
かかる構成の燃料電池システム２０は、電解質膜４１の変形量が所定値以上となると、塑性変形が生じる前にユーザに報知するので、ユーザは、早期に電解質膜４１の緩みについて対処を行うことができ、永久歪みによる発電性能の悪化を抑制することができる。なお、かかる構成は、上述した実施例の構成と組み合わせることも可能である。
【０１０４】
上述した閾値ＴＨ５の設定方法について説明する。電解質膜４１が吸湿による膨張に伴って変形し、緩みを生じた状態を図１７に示す。図示する電解質膜４１は、うねりが生じた状態を示している。図示するうねりは、ガス拡散層４４側に隆起した形状とガス拡散層４５側に隆起した形状とを備えている。以下では、一方の方向に隆起した部分をうねりの最小単位ＭＵという。うねりの最小単位ＭＵにおけるうねり幅Ｗは、次式（１）によって表すことができる。式（１）において、ｈは電解質膜４１の厚み、νはポアソン比、εは、電解質膜４１の歪み率である。また、うねり角度θは、次式（２）によって表すことができる。ここでＬは、最小単位ＭＵにおける電解質膜４１のうねりの内側の実際の長さである。Ｌは、次式（３）によって表すことができる。
【０１０５】
【数１】
【数２】
【数３】
【０１０６】
このようなうねりは、うねり角度θが概ね３０度以下では、一時歪みとして生じるが、これよりもうねり角度θが大きくなると、塑性変形して、永久歪みを生じる傾向にある。かかる塑性変形は、電解質膜４１の変形量が降伏点を超えると生じる。したがって、電解質膜４１に塑性変形が発生しない範囲の変形量で設定する閾値ＴＨ５は、電解質膜４１の降伏点を考慮して設定する必要がある。
【０１０７】
本実施例の電解質膜４１（膜厚２５μｍ）の歪み率εと、うねり幅Ｗおよびうねり角度θとの関係を図１８に示す。図１８に示すプロットは、式（１），（２）から算出したものである。図示するように、歪み率εが大きくなるにしたがって、うねり幅Ｗが小さくなり、一方、うねり角度θは大きくなる。また、電解質膜４１の膜厚ごとの歪み率εとうねり幅Ｗとの関係を図１９に示す。図示するように、膜厚が小さくなるにしたがって、同一値の歪み率εに対応するうねり幅Ｗは小さくなる。
【０１０８】
また、図１７に示した最小単位ＭＵからも明らかなように、電解質膜４１の内側（変形と反対の方向）の長さと外側（変形の方向）の長さは異なり、外側の方が長くなる。換言すれば、歪み率εは、電解質膜４１の内側と外側とで異なる。電解質膜４１の内側と外側との長さの差の半分をΔｘとすれば、Δｘは、次式（４）で求めることができる。また、内側の歪み率εｉｎと外側の歪み率εｏｕｔとは、式（３）を変換して、次式（５），（６）によってそれぞれ求めることができる。
【０１０９】
【数４】
【数５】
【数６】
【０１１０】
こうして求められる内側歪み率εｉｎと外側歪み率εｏｕｔとの関係を電解質膜４１の膜厚別に整理すれば、図２０のとおりとなる。図示するように、膜厚が小さいほど、内側の歪みに対して外側の歪みが大きくなることが分かる。なお、この例では、うねり角度θを２５度として外側歪み率εｏｕｔを算出している。ここで、本実施形態で用いた電解質膜４１の降伏点を図２１に示す。図示するように、この例では、引張歪みが０．１８のポイントにおいて降伏点が確認される。すなわち、歪み率が値０．１８を超えると、塑性変形が発生する。
【０１１１】
したがって、電解質膜４１に塑性変形が生じない範囲で閾値ＴＨ５を設定するためには、図２０に示した膜厚２５μｍの電解質膜４１であれば、内側歪み率εｉｎと外側歪み率εｏｕｔとのうちの、相対的に値が大きい外側歪み率εｏｕｔが値０．１８未満となる範囲で閾値ＴＨ５を設定すればよい。図２０によれば、外側歪み率εｏｕｔが値０．１８のとき、内側歪み率εｉｎは、値０．１よりも僅かに大きい値であるから、閾値ＴＨ５は、例えば、値０．１で設定すればよい。このように、閾値ＴＨ５を最終的に内側歪み率εｉｎの値から設定するのは、歪みゲージ３５３は、いずれの方向に歪むかが不確定であるので、いずれの方向に歪んでも塑性変形が生じないようにするためである。
【０１１２】
上述したように、電解質膜４１の最小単位ＭＵのうちの外側の変形量が、電解質膜４１の降伏点に対応する歪み量以下となるように閾値ＴＨ５を設定すれば、電解質膜４１の塑性変形が生じる手前の状態を検知する精度を向上させることができる。その結果、ユーザは、上述した緩み対処処理の報知に応じて必要な対処を講じることにより、高い精度で塑性変形の発生を抑制することが可能となる。このようにして、塑性変形の発生を抑制すれば、発電性能の確保という燃料電池全般に共通する課題を解決することができる。
【０１１３】
Ｆ.変形例：
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｆ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、加熱器７０は、熱収縮部材５１を間接的に加熱する構成としたが、熱収縮部材５１を直接的に加熱する構成としてもよい。例えば、熱収縮部材５１に電熱線を埋め込んでもよい。勿論、直接的かつ間接的に加熱する構成であってもよい。
【０１１４】
Ｆ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、熱収縮部材５１は、電解質膜４１とは別体で構成したが、熱収縮部材５１は、電解質膜４１と一体に構成してもよい。例えば、電解質膜４１の周縁部に対して、熱収縮特性を有するように加工処理を行い、電解質膜４１の周縁部自体が熱収縮部材で形成されていてもよい。あるいは、電解質膜４１全体が熱収縮部材で形成されていてもよい。
【０１１５】
Ｆ−３．変形例３：
上述の実施形態においては、熱収縮部材５１は、所定の加工処理がなされた単一の部材で構成されたが、相互に異なる複数の熱処理温度で収縮するように加工された複数の部材で構成されてもよい。かかる場合、例えば、熱収縮部材５１をガスケット５２の方向（積層面の外縁側）に向かって複数層に構成してもよい。あるいは、アノード４２側に固定された第１の層と、カソード４３側に固定された第２の層とで構成してもよい。これらの構成とすれば、緩み対処処理において熱収縮部材５１を加熱するたびに、加熱器７０による加熱温度を徐々に上げていけば、複数回にわたって、電解質膜４１の緩みを緩和することが可能となり、利便性が向上する。
【０１１６】
Ｆ−４．変形例４：
上述の実施形態において、歪みゲージ３５３や面圧センサ５１１は、１つの単セル４０のみに設置する構成としたが、複数の単セル４０、例えば、１つおきの単セル４０や全ての単セル４０に設置してもよい。こうすれば、電解質膜４１の変形についての検知精度を向上させることができる。
【０１１７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を用いた燃料電池、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池に共通して適用することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
２０…燃料電池システム
３０…燃料電池スタック
４０…単セル
４１…電解質膜
４２…アノード
４３…カソード
４４，４５…ガス拡散層
４６，４７，４７ａ，４７ｂ…セパレータ
４８，４９，４９ａ，４９ｂ…凹部
５１…熱収縮部材
５２…ガスケット
６１…ターミナル
６２…インシュレータ
６３…エンドプレート
６５…抵抗測定部
６６…温度センサ
７０…加熱器
８１…燃料ガス供給・排出機構
８２…酸化ガス供給・排出機構
８３…冷却水供給・排出機構
９０…制御ユニット
９１…取得部
９２…対処部
３５３…歪みゲージ
３５４…センサ部
３５５…導電線
４９９ｂ…凹部
５１１…面圧センサ
ＯＲ…出力要求
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、電解質膜の塑性変形を検知する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池に用いられる電解質膜は、吸湿によって膨張する特性を有している。かかる電解質膜は、燃料電池の運転状態の変化、例えば、燃料電池の電気化学反応に伴い発生する生成水の量の変化などによって、含水量が増加すると膨張し、含水量が低下すると収縮する。通常、電解質膜の周縁部はガスケットなどに固定されているので、電解質膜が膨張すると、電解質膜に緩みが生じることとなる。このようにして生じた電解質膜の緩みは、電解質膜が収縮すると緩和されるが、所定以上の緩み（変形）が生じた場合には、電解質膜が塑性変形して永久歪みを生じ、電解質膜が収縮しても、もとの緩みのない状態には戻らなくなる。このような永久歪みが進行すると、緩んだ電解質膜が不規則に折れた形状（以下、膜シワともいう）となり、燃料ガスとしての水素ガスがイオン化しないまま電解質膜を透過するクロスリークの量が増大し、発電性能が低下するおそれがあった。かかる問題は、固体高分子形燃料電池に限らず、吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を用いた燃料電池、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池などにも共通する問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８２６４４号公報
【特許文献２】特開２００９−４８９４９号公報
【特許文献３】ＷＯ２００７／０５２５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の電解質膜に生じる永久歪みの進行を好適に検知することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、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。
【０００６】
［適用例１］燃料電池システムであって、
吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池と、
前記特性に起因して生じる前記電解質膜の塑性変形の程度に対応した指標値を取得する取得部と、
前記取得した指標値が所定値以上である場合に、予め定められた対処動作を行う対処部と
を備えた燃料電池システム。
【０００７】
かかる構成の燃料電池システムは、吸湿によって膨張する電解質膜の塑性変形の程度に対応した指標値を取得するので、電解質膜が塑性変形して生じる永久歪みの進行を好適に検知することができる。しかも、指標値が所定値以上である場合に対処動作を行うので、永久歪みが進行して発電性能を悪化させることを抑制することができる。
【０００８】
［適用例２］前記取得部は、前記電解質膜の含水の程度との相関を有する前記燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて、前記指標値を算出する適用例１記載の燃料電池システム。
【０００９】
かかる構成の燃料電池システムは、電解質膜の含水の程度との相関を有する燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて、指標値を算出する。電解質膜の含水の程度と、燃料電池システムの発電運転時間とは、電解質膜の塑性変形の程度との相関を有するので、かかるパラメータの経時的な値は、電解質膜の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、電解質膜の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００１０】
［適用例３］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記取得部は、前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部を備え、前記電解質膜の含水の程度が所定以下である乾燥状態で前記面圧測定部が測定した面圧に基づいて、前記指標値を取得する燃料電池システム。
【００１１】
かかる構成の燃料電池システムは、乾燥状態の電解質膜の面圧を測定するので、その測定面圧は、電解質膜の一時歪みがほぼ解消され、永久歪みが残った状態で測定された面圧である。かかる条件で測定された電解質膜の面圧は、電解質膜と他の部材との接触状況、すなわち、電解質膜の変形の状況に応じて変化するので、電解質膜の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、電解質膜の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００１２】
［適用例４］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記取得部は、前記電解質膜に固定され、該電解質膜の変形の程度を測定する歪みゲージを有する歪み測定部を備え、前記電解質膜の含水の程度が所定以下である乾燥状態で前記歪み測定部が測定した変形の程度を前記指標値として取得する燃料電池システム。
【００１３】
かかる構成の燃料電池システムは、乾燥状態の電解質膜の変形の程度を測定するので、電解質膜の一時歪みがほぼ解消され、永久歪みが残った状態の電解質膜の変形の程度を測定することができる。したがって、塑性変形の程度を直接的に計測した指標値を用いて、電解質膜の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００１４】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記電解質膜の外縁部は、所定以上の温度に加熱することによって収縮する熱収縮部材によって固定され、前記対処部は、前記熱収縮部材を加熱する加熱部を備え、前記加熱部は、前記対処動作として、前記熱収縮部材を加熱して収縮させ、前記電解質膜に前記外縁部に向けた張力を生じさせる燃料電池システム。
【００１５】
かかる構成の燃料電池システムは、電解質膜の外縁部が熱収縮部材によって固定され、対処動作として熱収縮部材を加熱する。これによって、熱収縮部材は収縮し、電解質膜に外縁部に向けた張力を生じさせるので、塑性変形によって生じた電解質膜の緩みを緩和することができる。その結果、永久歪みの進行による発電性能の悪化を自動的に抑制することができる。
【００１６】
［適用例６］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記電解質膜の少なくとも外縁部は、所定以上の温度に加熱することによって収縮する熱収縮部材によって形成され、前記対処部は、前記熱収縮部材を加熱する加熱部を備え、前記加熱部は、前記対処動作として、前記熱収縮部材を加熱して収縮させ、前記電解質膜に前記外縁部に向けた張力を生じさせる燃料電池システム。
【００１７】
かかる構成の燃料電池システムは、電解質膜の少なくとも外縁部が熱収縮部材によって形成され、対処動作として熱収縮部材を加熱する。これによって、熱収縮部材で形成された電解質膜は収縮し、電解質膜に外縁部に向けた張力を生じさせるので、塑性変形によって生じた電解質膜の緩みを緩和することができる。その結果、永久歪みの進行による発電性能の悪化を自動的に抑制することができる。
【００１８】
［適用例７］前記対処部は、前記対処動作として、前記取得した指標値が所定値以上であることをユーザに報知する報知手段を備えた適用例１ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池システム。
【００１９】
かかる構成の燃料電池システムは、指標値が所定値以上であることをユーザに報知することができるので、ユーザは、電解質膜の塑性変形が所定程度に達したこと、すなわち、電解質膜に所定程度の緩みが生じていることを容易に知ることができる。したがって、ユーザが燃料電池システムを修理に出すなどして、電解質膜の緩みを解消させるための対処を行えば、永久歪みの進行による発電性能の悪化を抑制することができる。
【００２０】
［適用例８］前記歪みゲージは、前記電解質膜のうちの、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流れの下流側に対応する領域に設けられた適用例４記載の燃料電池システム。
【００２１】
かかる構成の燃料電池システムは、歪みゲージが反応ガスの流れの下流側に対応する領域の電解質膜に設けられる。反応ガスの下流側では、上流側に比べて反応ガスが多くの水分を含み、電解質膜の含水量も多くなるので、電解質膜の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜の塑性変形が生じやすい。かかる下流側に歪みゲージを設けることによって、電解質膜が塑性変形して生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。
【００２２】
［適用例９］前記歪みゲージは、前記電解質膜のうちの、重力方向の下方側の領域に設けられた適用例４または適用例８記載の燃料電池システム。
【００２３】
かかる構成の燃料電池システムは、歪みゲージが重力方向の下方側に設けられる。重力方向の下方側は、上方側に比べて重力によって水分が移行しやすく、電解質膜の含水量が多くなるので、電解質膜の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜の塑性変形が生じやすい。かかる下方側に歪みゲージを設けることによって、電解質膜が塑性変形して生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。
【００２４】
［適用例１０］適用例４、適用例８、適用例９のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、発電の最小単位である単セルが複数積層された燃料電池スタックとして構成され、前記歪みゲージは、前記複数の単セルのうちの、前記積層の方向の端部に配置された前記単セルに設けられた燃料電池システム。
【００２５】
かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうちの端部に配置された単セルに歪みゲージが設けられる。燃料電池スタックの端部は、中央部に比べて発電温度が低下しやすいので、電解質膜の含水量が多くなりがちである。そのため、電解質膜の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜の塑性変形が生じやすい。かかる端部の単セルに歪みゲージを設けることによって、複数の単セルのいずれかの電解質膜に生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。
【００２６】
［適用例１１］適用例４、適用例８ないし適用例１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記電解質膜を間に挟んで配置された一対のセパレータを備え、前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方のセパレータは、該セパレータの前記電解質膜側の表面に、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流路となる凹部が形成され、前記歪みゲージは、前記凹部に対応する位置の前記電解質膜に設けられた燃料電池システム。
【００２７】
かかる構成の燃料電池システムは、セパレータの凹部に対応する電解質膜の位置に歪みゲージが設けられる。凹部に対応する位置では、その他の位置に比べて電解質膜に作用する面圧が小さくなるので、電解質膜が変形しやすい。すなわち、塑性変形が生じやすい。かかる凹部に対応する位置に歪みゲージを設けることによって、電解質膜が塑性変形して生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。
【００２８】
［適用例１２］吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池において、該電解質膜の塑性変形の程度を推定する推定方法であって、前記電解質膜の含水の程度との相関を有する前記燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて算出される指標値を用いて、前記塑性変形の程度を推定する推定方法。
【００２９】
かかる推定方法は、電解質膜の含水の程度との相関を有する燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて算出される指標値を用いて、電解質膜の塑性変形の程度を推定する。電解質膜の含水の程度と、燃料電池の発電運転時間とは、電解質膜の塑性変形の程度との相関を有するので、かかるパラメータの経時的な値は、電解質膜の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、塑性変形の程度を精度良く推定することができる。
【００３０】
［適用例１３］燃料電池システムの設計方法であって、
前記燃料電池システムは、
吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池と、
前記電解質膜に固定され、該電解質膜の変形の程度を測定する歪みゲージを有する歪み測定部と、
前記測定した変形の程度が所定の閾値以上の変形である場合に、予め定められた対処動作を行う対処部と
を備え、
前記電解質膜が所定の方向に変形した場合の、該電解質膜の両面のうちの前記所定の方向側の面の変形量が、該電解質膜の降伏点に対応する歪み量以下となる範囲で、前記閾値を設定する
燃料電池システムの設計方法。
【００３１】
かかる構成の設計方法は、電解質膜が変形する方向側の電解質膜の変形量が、電解質膜の降伏点に対応する歪み量以下となる範囲で、対処動作を行うための閾値を設定する。電解質膜が変形する方向側の電解質膜の変形量は、その反対側の電解質膜の変形量よりも大きくなるので、燃料電池システムが、電解質膜の塑性変形を生じる前に対処動作を行う精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システム２０を構成する単セル４０の概略構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池システム２０における緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】緩み対処処理によって、電解質膜４１の緩みが緩和される様子を示す説明図である。
【図５】緩み対処処理に用いる閾値ＴＨ１を設定するための実験結果の具体例である。
【図６】図５に示した実験結果に対応する電解質膜４１の外観等を示す説明図である。
【図７】図５に示した実験結果における含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の塑性変形の程度との関係を示す相関図である。
【図８】第２実施例としての緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】第３実施例としての燃料電池システム２０の第１実施例と異なる構成を示す説明図である。
【図１０】歪みゲージ３５３の取付箇所を示す説明図である。
【図１１】歪みゲージ３５３の取付箇所の他の例を示す説明図である。
【図１２】歪みゲージ３５３の取付箇所の他の例を示す説明図である。
【図１３】第３実施例としての緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】第４実施例としての燃料電池システム２０の第１実施例と異なる構成を示す説明図である。
【図１５】第４実施例としての緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】他の実施形態としての緩み対処処理の流れを示すフローチャートである。
【図１７】吸湿によって一時歪みが生じた状態の電解質膜４１を示す説明図である。
【図１８】電解質膜４１（膜厚２５μｍ）の歪み率εと、うねり幅Ｗおよびうねり角度θとの関係を示す説明図である。
【図１９】電解質膜４１の膜厚ごとの歪み率εとうねり幅Ｗとの関係を示す説明図である。
【図２０】電解質膜４１の内側歪み率εｉｎと外側歪み率εｏｕｔとの関係を示す説明図である。
【図２１】電解質膜４１の降伏点を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム２０の構成：
本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を図１に示す。燃料電池システム２０は、図示するように、燃料電池スタック３０と燃料ガス供給・排出機構８１と酸化ガス供給・排出機構８２と冷却水供給・排出機構８３と制御ユニット９０とを備えている。
【００３４】
燃料電池スタック３０は、本実施例においては、固体高分子形の燃料電池であり、発電の最小単位である単セル４０を複数積層し、その積層方向の両脇を、出力端子を備えるターミナル６１、インシュレータ６２、エンドプレート６３で順次挟持することによって構成される。ターミナル６１には、燃料電池スタック３０の抵抗を測定する抵抗測定部６５が接続されている。この抵抗測定部６５は、ターミナル６１に交流の電圧をその周波数を掃引しつつ入力する際に、両ターミナル６１間を流れる交流電流を検出することにより、燃料電池スタック３０の交流インピーダンスを測定する。なお、抵抗測定部６５は、燃料電池スタック３０を構成する各々の単セル４０のうちのいずれかに接続してもよい。エンドプレート６３には、温度センサ６６が設けられている。この温度センサ６６は、燃料電池スタック３０の運転温度を検出するために設けられる。なお、温度センサ６６は、燃料電池スタック３０を構成する各々の単セル４０のいずれかに設けてもよいし、単セル４０の各々に設けてもよい。
【００３５】
燃料電池スタック３０の単セル４０に対応する領域の外周部には、加熱器７０が設けられている。この加熱器７０は、後述する熱収縮部材５１を所定温度まで加熱するために設けられる。本実施例では、加熱器７０として電熱ヒータを用いている。本実施例では、加熱器７０は、単セル４０に対応する領域の燃料電池スタック３０の外周部を被覆するように設けられているが、図１では、図示を簡略化している。
【００３６】
燃料ガス供給・排出機構８１は、水素タンク、水素遮断弁、インジェクタ、水素流路等を備えている（図示省略）。この燃料ガス供給・排出機構８１は、水素タンクに貯留された燃料ガスとしての水素ガスを単セル４０の各々に供給する。これによって、水素ガスが、各々の単セル４０における電気化学反応に供される。また、燃料ガス供給・排出機構８１は、単セル４０の電気化学反応に供された水素ガスの排ガスを系外に排出する。なお、排ガスは、循環利用してもよいし、間欠的に系外に排出してもよい。
【００３７】
酸化ガス供給・排出機構８２は、コンプレッサ、空気流路等を備えている（図示省略）。この酸化ガス供給・排出機構８２は、コンプレッサによって外部から取り込んだ空気を酸化ガスとして単セル４０の各々に供給する。これによって、空気が、各々の単セル４０における電気化学反応に供される。また、酸化ガス供給・排出機構８２は、単セル４０の電気化学反応に供された空気の排ガスを系外に排出する。なお、空気の排ガスは、水素の排ガスと混合して排出する構成としてもよい。
【００３８】
冷却水供給・排出機構８３は、ラジエータ、冷却水循環ポンプ、冷却水流路等（図示省略）を備えている。この冷却水供給・排出機構８３は、各々の単セル４０との間で冷却水を循環させ、単セル４０での吸熱とラジエータでの放熱を繰り返すことによって、単セル４０の運転温度を調節する。
【００３９】
上述の各構成機器は、制御ユニット９０により制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等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をＲＡＭに展開して実行することで、出力要求ＯＲと燃料電池システム２０の各種センサＳｎ、例えば、温度センサ６６や電圧センサ（図示省略）などからの信号を受けて、水素遮断弁、インジェクタ、コンプレッサ、冷媒循環ポンプ等（図示省略）の各種アクチュエータＡｍに駆動信号を出力し、燃料電池システム２０の運転全般を制御する。また、制御ユニット９０は、所定のプログラムを実行することによって、取得部９１、対処部９２としても機能する。これらの機能については後述する。
【００４０】
Ａ−２．単セル４０の構成：
単セル４０の概略構成を図２に示す。図２は、燃料電池スタック３０を構成する単セル４０の積層面に直交する方向の単セル４０の断面模式図である。図示するように、単セル４０は、電解質膜４１、アノード４２、カソード４３、ガス拡散層４４，４５、セパレータ４６，４７、熱収縮部材５１，ガスケット５２を備えている。電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。この電解質膜４１は、吸湿によって膨張する特性（以下、膨潤特性ともいう）を有している。本実施例では、電解質膜４１として、膜圧が２５μｍのＮａｆｉｏｎ膜（Ｎａｆｉｏｎは登録商標）を用いた。
【００４１】
電解質膜４１の一方の面には、アノード４２が形成され、他方の面には、カソード４３が形成されている。アノード４２およびカソード４３は、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜４１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。かかる電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３とは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を構成する。
【００４２】
ＭＥＡの両面には、ガス拡散層４４，４５が形成されている。ガス拡散層４４，４５は、ガス拡散層４４，４５に供給された反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）を拡散して、アノード４２またはカソード４３の全面に供給する。ガス拡散層４４，４５は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、カーボンペーパを用いた。
【００４３】
ガス拡散層４４，４５が形成されたＭＥＡの両面は、セパレータ４６，４７で挟持されている。セパレータ４６，４７は、反応ガスの隔壁として機能する部材であり、ガス不透過な導電性部材、例えば、圧縮カーボンやステンレス鋼などの金属材料によって形成される。本実施例では、ステンレス鋼を用いた。このセパレータ４６，４７には、ＭＥＡ側の表面に凹部４８，４９が形成されている。凹部４８，４９は、燃料ガス供給・排出機構８１、酸化ガス供給・排出機構８２によって供給される反応ガスの流路として機能する。また、図示は省略しているが、セパレータ４６，４７には、冷却水供給・排出機構８３によって循環される冷却水の流路を形成する凹部も形成されている。なお、セパレータ４６，４７は、表面が平坦に形成され、内部に反応ガス等の流路が形成されたフラットセパレータであってもよい。この場合、ガス拡散層４４，４５とセパレータ４６，４７との間に、ラスメタルなどの多孔質部材からなる流路層を配置してもよい。
【００４４】
熱収縮部材５１は、ＭＥＡの周縁部を覆うフレーム形状を有しており、ＭＥＡの周縁部に接合されている。この熱収縮部材５１は、所定の熱処理温度Ｔ１で加熱すると収縮する特性を有するように加工処理が施されている。この加工処理は、周知の熱収縮フィルムの技術を用いて行われたものである。具体的には、熱収縮部材５１は、熱収縮部材５１の材料のガラス転移温度Ｔｇ以上、融点Ｔｍ未満の温度Ｔ１で延伸して分子配向を与えられている。かかる加工処理を施すことで、熱収縮部材５１に、熱処理温度Ｔ１以上に加熱することで収縮し、その収縮した状態を保持する特性が付与される。本実施例では、熱収縮部材５１の材料として、膜圧５０μｍのＮａｆｉｏｎ膜を用い、熱処理温度Ｔ１を１５０℃として、縦方向２倍、横方向２倍の延伸処理を行った熱収縮部材５１を用いた。かかる熱収縮部材５１は、後述する緩み対処処理において、加熱器７０によって熱処理温度Ｔ１まで加熱することにより、収縮させるために設けている。逆に言えば、加熱器７０は、熱収縮部材５１を熱処理温度Ｔ１まで加熱できるように調節されている。なお、熱処理温度Ｔ１は、加熱器７０による加熱時の電解質膜４１への熱によるダメージを抑制するために、ガラス転移温度Ｔｇ付近で設定することが望ましい。なお、熱収縮部材５１の材料は、Ｎａｆｉｏｎに限るものではなく、ポリエチレン系、ポリプロピレン系などの種々の樹脂材料とすることができる。
【００４５】
ガスケット５２は、熱収縮部材５１の周縁部を覆うフレーム形状を有しており、熱収縮部材５１の周縁部に接合されている。このガスケット５２は、セパレータ４６，４７の間に配置されており、セパレータ４６，４７と当接し、単セル４０の積層方向への締結力を受けることによって、単セル４０の内部を流れる流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）をシールする。ガスケット５２には、弾性を有する絶縁性樹脂材料を用いることができる。本実施例では、ブチルゴムを用いているが、シリコンゴム、フッ素ゴムなどを用いてもよい。また、熱収縮部材５１と同一材料で、熱収縮部材５１と一体的に形成されていてもよい。
【００４６】
Ａ−３．緩み対処処理：
燃料電池システム２０における緩み対処処理について説明する。緩み対処処理とは、単セル４０を構成する電解質膜４１に緩みが生じ、それに伴い生じる電解質膜４１の塑性変形が所定の程度以上となった場合に、予め定めた対処処理を行う処理であり、本実施例では、制御ユニット９０によって実行される。なお、電解質膜４１の緩みは、電解質膜４１が有する膨潤特性に起因して生じる。緩み対処処理の流れを図３に示す。本実施例においては、緩み対処処理は、燃料電池システム２０の発電運転の起動を契機として開始され、その後、発電運転が停止するまで一定の頻度で繰り返し実行される。緩み対処処理が開始されると、図３に示すように、燃料電池システム２０の制御ユニット９０は、まず、取得部９１の処理として、燃料電池スタック３０の発電の状況を表す所定の運転パラメータに基づいて、電解質膜４１の含水率ＷＣｎを算出する（ステップＳ１１０）。なお、ｎは、現在実行中の緩み対処処理が、繰り返し実行される緩み対処処理のうちのＮ回目（Ｎは１以上の整数）に実行されているものであることを示している。
【００４７】
所定の運転パラメータとは、電解質膜４１の含水の程度との相関を有するものとして予め定められたものである。本実施例においては、所定の運転パラメータとして、抵抗測定部６５で測定した燃料電池スタック３０の抵抗値と、温度センサ６６で検出した燃料電池スタック３０の運転温度とが定められている。単セル４０の抵抗値と電解質膜４１の含水率とは、電解質膜４１の含水率が低くなると、電解質膜４１のイオン伝導率が低下することによって、単セル４０の抵抗値が大きくなる相関を有している。燃料電池スタック３０の運転温度と電解質膜４１の含水率との相関は、例えば、燃料電池スタック３０の発電運転を起動させ、運転温度が常温から定格温度（例えば、８０度程度）まで上昇すれば、生成水の発生量が増加するので、電解質膜４１の含水率が上昇する。また、運転温度が高くなりすぎると、電解質膜４１に含まれる水分が蒸発しやすくなり、電解質膜４１の含水率が低下する。
【００４８】
燃料電池スタック３０の抵抗値は、スタック全体の抵抗値でもよいが、電解質膜４１の含水率との相関の精度を向上させるために、電解質膜４１の抵抗値を用いることが望ましい。電解質膜４１の抵抗値は、測定した交流インピーダンスに基づいてナイキストプロット曲線を算出し、等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、その論理関数の各係数を検出して、等価回路の各パラメータの値を推定することにより求めることができる。また、複数の単セル４０のうちの１つの単セル４０の抵抗値を測定するものであってもよい。かかる場合、燃料電池スタック３０の端部の単セル４０の抵抗値を計測する構成としてもよい。端部の単セル４０は、運転温度が相対的に低温になりがちであり、電解質膜４１が多く水を含んで変形しやすいからである。もとより、運転パラメータは、各々の単セル４０ごとに取得して、単セル４０ごとに含水率ＷＣｎを算出してもよい。こうすれば、単セル４０ごとの状況を的確に把握することができ、精度が向上する。
【００４９】
本実施例においては、含水率ＷＣｎの算出は、所定のパラメータである燃料電池スタック３０の抵抗値と、燃料電池スタック３０の運転温度の値と、電解質膜４１の含水率の値との相関関係を表す関数を制御ユニット９０のメモリに記憶しておき、取得した抵抗値と運転温度とから、当該関数を用いて、含水率ＷＣｎを算出するものとした。この説明からも明らかなように、算出する含水率ＷＣｎは、所定のパラメータに基づく推定値である。上記の関数は、予め燃料電池システム２０に用いる電解質膜４１を用いて実験的に得られる実験式である。なお、含水率ＷＣｎは、関数を用いて算出することに限らず、所定のパラメータと含水率ＷＣｎとを対応付けたマップを記憶しておき、当該マップを用いて含水率ＷＣを取得してもよい。
【００５０】
含水率ＷＣｎを算出すると、制御ユニット９０は、取得部９１の処理として、次式（１）を用いて、指標値ＩＶｎを算出する（ステップＳ１２０）。この指標値ＩＶｎは、電解質膜４１の塑性変形の程度に対応した指標値である。指標値ＩＶｎが、電解質膜４１の塑性変形の程度に対応している理由については後述する。式（１）において、含水率ＷＣｎは、繰り返し実行される緩み対処処理のうちのＮ回目（Ｎは１以上の整数）に実行される、現在実行中の緩み対処処理のステップＳ１１０で算出された含水率ＷＣｎである。時間ΔＴｎは、Ｎ回目の対処処理のステップＳ１２０を実行する時間Ｔｎと、Ｎ−１回目の対処処理のステップＳ１２０を実行した時間Ｔｎ−１との差分である。要するに、指標値ＩＶｎは、経時的に変化する含水率ＷＣを発電運転時間で積算したものである。なお、この積算は、燃料電池システム２０の発電運転の起動と停止が複数回に及ぶ場合には、複数回の発電運転に亘って累積的に積算される。
ＩＶｎ＝Σ（ＷＣｎ×ΔＴｎ）・・・（１）
【００５１】
指標値ＩＶｎを算出すると、制御ユニット９０は、算出した指標値ＩＶｎが予め定められた閾値ＴＨ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。この閾値ＴＨ１は、電解質膜４１の膨潤特性に起因して生じる塑性変形の許容可能な程度を考慮して予め定められたものであり、その設定の考え方については後述する。
【００５２】
その判断の結果、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１未満であれば（ステップＳ１３０：ＮＯ）、電解質膜４１の塑性変形の程度は許容範囲であるということであり、制御ユニット９０は、処理を元に戻す。一方、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上であれば（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、電解質膜４１の塑性変形（緩み）の程度は許容範囲を超えつつあるということである。そこで、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、加熱器７０を起動して燃料電池スタック３０を加熱し、電解質膜４１の緩みを緩和させる（ステップＳ１４０）。本実施例では、この処理は、燃料電池スタック３０の発電運転を一旦停止させてから行うこととした。
【００５３】
ステップＳ１４０の処理については、図４を用いて具体的に説明する。図４（Ａ）は、電解質膜４１の膨潤特性に起因して電解質膜４１に緩みが生じた状態を示している。なお、図４では、電解質膜４１は、その両面にアノード４２，カソード４３が形成されたＭＥＡとして示している。この緩みが生じた電解質膜４１の変形は、電解質膜４１が乾燥状態となることによって収縮し、ものとの形状に戻る一時歪みと、乾燥状態になっても、もとに戻らない永久歪みとを含んでいる。
【００５４】
かかる状態で、ガスケット５２の外方に設けられた加熱器７０によって、熱収縮部材５１を熱処理温度Ｔ１まで間接的に加熱すると、熱収縮部材５１が積層面方向に収縮する。ここで、ガスケット５２は、セパレータ４６，４７に挟持されて固定され、熱収縮部材５１の外方側は、ガスケット５２に固定されていることから、熱収縮部材５１が収縮すると、そのフレーム形状の内側に固定された電解質膜４１は、外縁部側、すなわち、熱収縮部材５１側に向けて熱収縮部材５１に引っ張られる。かかる張力によって、図４（Ｂ）に示すように、電解質膜４１は、緩みを緩和させることができる。特に、加熱器７０によって熱収縮部材５１を熱処理温度Ｔ１まで加熱する過程で、電解質膜４１は、生成水を多量に含んだ状態から乾燥した状態に移行し、収縮するので、一時歪みは概ね解消される。つまり、熱収縮部材５１によって電解質膜４１に生じた張力の大半は、永久歪みによる緩みの緩和に用いられるので、効率的に電解質膜４１の永久歪みによる緩みを緩和することができる。
【００５５】
本実施例の熱収縮部材５１は、２倍の延伸処理が施されているから、例えば、図２に示した断面上のＭＥＡの長さを３００ｍｍ、熱収縮部材５１の長さを２０ｍｍとすれば、熱収縮部材５１は、上記ステップＳ１４０によって、当該断面上の両端で１０ｍｍずつ縮むこととなる。つまり、電解質膜４１は２０ｍｍ分だけ両端から引っ張られて、２０ｍｍ分の緩みを解消できることとなる。なお、この緩み解消長さ２０ｍｍは、電解質膜４１の長さ（３００ｍｍ）の６．７％（＝２０/３００）に相当するので、電解質膜４１の緩みが６．７％以下であれば、上記ステップＳ１４０において、電解質膜４１の緩みをほぼ解消できることとなる。
【００５６】
以上、緩み対処処理の一例について説明したが、本実施例の緩み対処処理は、種々の態様で実現することができる。例えば、含水率ＷＣｎを算出せずに、所定の運転パラメータと、時間ΔＴｎとから、直接的に指標値ＩＶｎを算出する構成としてもよい。また、上述した例では、指標値ＩＶｎを算出するたびに指標値ＩＶｎと閾値ＴＨ１とを比較する構成としたが、含水率ＷＣｎと時間ΔＴｎとを継続的にモニタリングしておき、所定の期間毎に指標値ＩＶｎを算出して閾値ＴＨ１と比較する構成としてもよい。あるいは、指標値ＩＶｎを継続的にモニタリングしておき、所定の期間毎に指標値ＩＶｎと閾値ＴＨ１とを比較する構成としてもよい。また、必ずしも指標値ＩＶｎと閾値ＴＨ１とを比較する必要はなく、例えば、指標値ＩＶｎ、あるいは、上述の運転パラメータなどと対処動作とを対応付けたマップを用いてマップ制御を行ってもよい。かかるマップ制御によっても、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に、熱収縮部材５１を加熱する処理を行うことを実質的に意味する処理を行うことができる。つまり、電解質膜４１の含水の程度との相関を有する燃料電池スタック３０の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて、指標値ＩＶｎを取得し、取得した指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に、熱収縮部材５１の加熱処理を行う構成を実質的に備えていればよい。
【００５７】
Ａ−４．緩み対処処理で用いる閾値ＴＨ１の設定方法：
上述した緩み対処処理で用いる閾値ＴＨ１の設定方法について説明する。以下に説明する方法は、燃料電池システム２０の製造段階において、所定の実験データから閾値ＴＨ１を設定する方法である。閾値ＴＨ１を設定するためには、まず、燃料電池システム２０に用いる単セル４０と同一構造の単セル４０を実験用に用意する。
【００５８】
単セル４０を用意すると、所定の条件で電解質膜４１に少なくともウエットガスを送気し、上述した指標値ＩＶｎに相当する含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の変形状態との関係を調査する。本実施例では、以下の手法を用いた。
手順（１）：単セル４０の温度を単セル４０の定格運転温度である８０℃に保ちつつ、所定の状態に加湿したウエットガス（窒素ガス）を０．５Ｌ／ｍｉｎで所定時間送気（加湿送気）する。
手順（２）：（１）の後、ドライガス（窒素ガス）を０．５Ｌ／ｍｉｎで１０分間送気する。
手順（３）：（１），（２）の乾湿サイクルを所定回数行い、その後、単セル４０を解体して、電解質膜４１の変形状態を観察すると共に、寸法変化を測定する。
【００５９】
かかる手法による実験結果の一例を図５に示す。図５では、同一の構成の単セル４０に対して、実験条件（加湿送気時間ｔ、乾湿サイクル数Ｎ、電解質膜４１の含水率ＷＣ）を変化させた場合の含水率積算値ＩＶと、電解質膜４１の歪みの測定結果とを示している。図５において、加湿送気時間ｔは、上記手順（１）の送気時間である。乾湿サイクル数Ｎは、上記手順（３）のサイクル数である。加湿送気時間積算値Ｔは、加湿送気時間ｔと乾湿サイクル数Ｎとの積、すなわち、上記手順（１）の延べ送気時間である。含水率ＷＣは、上記手順（１）における電解質膜４１の含水率である。含水率積算値ＩＶは、加湿送気時間積算値Ｔと含水率ＷＣとの積である。電解質膜４１の歪率ＤＲは、手順（１）〜（３）によって永久歪みが生じた電解質膜４１の、初期状態（永久歪みのない状態）に対する変形量（長さの増加量）の比率である。
【００６０】
図５に示すように、Ｎｏ．１のサンプルでは、加湿送気時間ｔが２．０時間、乾湿サイクル数Ｎが１０回、含水率ＷＣが１３％の実験条件において、含水率積算値ＩＶが２．６時間、歪率ＤＲが０．２９％となっている。このＮＯ．１のサンプルの電解質膜４１の外観を図６（Ａ）に示す。図６（Ａ）では、電解質膜４１に若干の塑性変形が生じている状態を確認できる。
【００６１】
また、図５に示すように、Ｎｏ．２のサンプルでは、加湿送気時間ｔが２．０時間、乾湿サイクル数Ｎが１０回、含水率ＷＣが２２％の実験条件において、含水率積算値ＩＶが４．４時間、歪率ＤＲが０．５７％となっている。Ｎｏ．２のサンプルは、Ｎｏ．１のサンプルと比べて、加湿送気時間ｔと乾湿サイクル数Ｎとは、同じ値であるが、含水率ＷＣが増加し、それに伴い含水率積算値ＩＶも増加している。結果として、歪率ＤＲは、ＮＯ．１のサンプルよりも大きな値となっている。このＮＯ．２のサンプルの電解質膜４１の外観を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）では、電解質膜４１の塑性変形の程度が、図６（Ａ）に示したＮｏ．１のサンプルよりも大きくなっている状態が確認できる。
【００６２】
また、図５に示すように、Ｎｏ．３のサンプルでは、加湿送気時間ｔが２．０時間、乾湿サイクル数Ｎが１０回、含水率ＷＣが３５％の実験条件において、含水率積算値ＩＶが７．０時間、歪率ＤＲが１．４３％となっている。Ｎｏ．３のサンプルは、Ｎｏ．１，Ｎｏ．２のサンプルと比べて、加湿送気時間ｔと乾湿サイクル数Ｎとは、同じ値であるが、含水率ＷＣが増加し、それに伴い含水率積算値ＩＶも増加している。結果として、歪率ＤＲは、ＮＯ．１，Ｎｏ．２のサンプルよりも大きな値となっている。このＮＯ．３のサンプルの電解質膜４１の外観を図６（Ｃ）に示す。図６（Ｃ）では、電解質膜４１の塑性変形の程度が、図６（Ｂ）に示したＮｏ．２のサンプルよりもさらに大きくなっている状態が確認できる。また、詳細な説明は省略するが、Ｎｏ．４のサンプルでは、Ｎｏ．３のサンプルと同一の実験条件において、歪率ＤＲが３．４３％となっている。以上の説明からも明らかなように、サンプルによって程度は異なるものの、含水率積算値ＩＶが大きくなるにしたがって、歪率ＤＲが大きくなることが分かる。
【００６３】
このサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の電解質膜４１に生じた電解質膜４１の塑性変形（永久歪み）は、模式的に表現すると、図６（Ｅ）に示すような形状である。すなわち、電解質膜４１の周縁部が熱収縮部材５１に固定された状態において、電解質膜４１の永久歪みによる緩みの状態は、電解質膜４１の他の部材との積層面に交わる方向に向かって単純な形状で隆起または陥没した状態（以下、うねりともいう）である。かかる塑性変形の程度においては、電解質膜４１の塑性変形に起因して、電解質膜４１のクロスリークの量が著しく増加することはない。
【００６４】
一方、図５に示すように、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７のサンプルでは、Ｎｏ．３，Ｎｏ．４のサンプルよりも、乾湿サイクル数Ｎを段階的に増加させた結果、含水率積算値ＩＶがそれぞれ１４．０時間、１７．５時間、２１．０時間まで増加している。このときの歪率ＤＲは測定していないが、電解質膜４１の観察によって、膜シワが確認できる状態となっている。膜シワとは、図６（Ｆ）に模式的に示すように、緩んだ電解質膜４１が不規則な方向に折れた形状となった状態である。膜シワは、図６（Ｅ）に示した状態から更に電解質膜４１の塑性変形が進行することによって発生する。図５に示したＮｏ．７のサンプルの電解質膜４１の外観を図６（Ｄ）に示す。図６（Ｄ）では、電解質膜４１の塑性変形の程度が、図６（Ｆ）に示した膜シワの状態に達していることを確認できる。このように膜シワが発生すると、電解質膜４１の塑性変形に起因して、電解質膜４１のクロスリークの量が許容できないレベルまで増加し、発電性能が著しく低下するおそれがあることが確認された。
【００６５】
また、図５に示すように、Ｎｏ．８，Ｎｏ．９のサンプルでは、Ｎｏ．１〜７のサンプルと比べて、加湿送気時間ｔを短くし、乾湿サイクル数Ｎを増加させた実験条件において、含水率積算値ＩＶがそれぞれ４．７時間、５．８時間、歪率ＤＲがそれぞれ０．５７％、３．４３％となっている。Ｎｏ．８，Ｎｏ．９の含水率ＷＣは、Ｎｏ．３〜７と同じ３５％である。このＮｏ．９のサンプルの実験結果とＮｏ．３，Ｎｏ．４のサンプルの実験結果とを比較すると、加湿送気時間積算値Ｔが相対的に小さくても（含水率ＷＣは同じ値であるから、含水率積算値ＩＶが小さくても）、乾湿サイクル数Ｎが増加すると、歪率ＤＲは相対的に大きくなることがみてとれる。つまり、乾湿サイクル数Ｎが多くなると、歪率ＤＲは大きくなる傾向にある。
【００６６】
ここで説明を閾値ＴＨ１の設定方法に戻す。上述したような実験結果が得られると、次に、含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の塑性変形の程度との関係を把握し、膜シワが生じない範囲で閾値ＴＨ１を設定する。この閾値ＴＨ１の設定の考え方は、上述の実験結果を用いて例示する。図７は、上述した実験結果に基づいて、含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の歪率ＤＲとの関係をプロットした関係図である。なお、上述の実験では、膜シワが発生した際の歪率ＤＲは測定していないので、図７では、膜シワ発生時の歪率ＤＲは値０として表示している。図示するように、この例では、含水率積算値ＩＶが増加するにしたがって、膜シワは発生していないものの、歪率ＤＲが増加する傾向にある。そして、含水率積算値ＩＶが１４．０時間以上になると、いずれのサンプルにも膜シワが発生している。つまり、含水率積算値ＩＶが７．０時間と１４．０時間との間に膜シワが発生するか否かのボーダーラインが存在することがみてとれる。本実施例では、かかるボーダーラインを考慮して、閾値ＴＨ１＝８時間として設定した。このように閾値ＴＨ１を設定すれば、上述した緩み対処処理において、膜シワが発生する前に、熱収縮部材５１を加熱して、電解質膜４１の緩みを緩和させ、膜シワの発生を抑制することができる。なお、上述したように、膜シワの発生は、乾湿サイクル数Ｎとの相関も認められるので、乾湿サイクル数Ｎを反映させて、指標値ＩＶｎを算出するようにすれば、さらに検知精度を向上させることができる。
【００６７】
以上、閾値ＴＨ１の設定方法について説明したが、図７に例示した含水率積算値ＩＶと電解質膜４１の塑性変形の程度との相関関係は、使用する電解質膜４１、アノード４２，カソード４３、ガス拡散層４４，４５、セパレータ４６，４７の材質、形状などの諸元によって異なるので、燃料電池システム２０に使用される単セル４０と同一構造の単セル４０を用いて、上述の実験を行って、その結果に基づいて閾値ＴＨ１を設定することが望ましい。
【００６８】
Ａ−５．効果：
かかる構成の燃料電池システム２０は、吸湿によって膨張する電解質膜４１の塑性変形の程度に対応した指標値ＩＶｎを取得するので、膨潤特性に起因して電解質膜４１が塑性変形して生じる永久歪みの進行を好適に検知することができる。しかも、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に対処動作を行うので、永久歪みが進行して発電性能を悪化させることを抑制することができる。
【００６９】
また、燃料電池システム２０は、電解質膜４１の含水の程度との相関を有する、燃料電池スタック３０の発電の状況を表す所定の運転パラメータの経時的な値に基づいて、指標値ＩＶｎを算出する。電解質膜４１の含水の程度と、燃料電池システム２０の発電運転時間とは、電解質膜４１の塑性変形の程度との相関を有するので、かかるパラメータの経時的な値に基づいて算出された指標値ＩＶｎは、電解質膜４１の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、電解質膜４１の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００７０】
また、燃料電池システム２０は、電解質膜４１の周縁部が熱収縮部材５１によって固定され、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に、熱収縮部材５１を加熱する。これによって、熱収縮部材５１は収縮し、電解質膜４１に周縁部に向けた張力を生じさせるので、塑性変形によって生じた電解質膜４１の緩みを緩和することができる。その結果、永久歪みの進行による発電性能の悪化を自動的に抑制することができる。
【００７１】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について説明する。第２実施例としての燃料電池システム２０の構成は、概ね第１実施例と同一の構成である。第２実施例としての燃料電池システム２０が第１実施例と異なる点は、所定の報知手段（図示省略）を備える点である。この報知手段の詳細は後述する。なお、第１実施例の燃料電池システム２０が備える抵抗測定部６５、温度センサ６６、加熱器７０は、いずれも省略可能である。また、第２実施例としての燃料電池システム２０は、緩み対処処理の流れが第１実施例と異なる。以下、第２実施例としての緩み対処処理について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と共通する点については、説明を簡略化する。
【００７２】
第２実施例としての緩み対処処理の流れを図８に示す。なお、図８において、第１実施例と同一内容の処理については、図３と同一の符号を付して、説明を簡略化する。第２実施例としての緩み対処処理が開始されると、制御ユニット９０は、燃料電池スタック３０の発電の状況を表す所定の運転パラメータに基づいて、電解質膜４１の含水率ＷＣｎを算出し（ステップＳ１１０）、上記式（１）を用いて指標値ＩＶｎを算出する（ステップＳ１２０）。そして、算出した指標値ＩＶｎが予め定められた閾値ＴＨ１以上であると（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、報知手段を用いて、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上であることをユーザに報知する（ステップＳ２４０）。本実施例においては、燃料電池システム２０は、報知手段としてアラームを備える構成とし、当該アラームを鳴動させることで、ユーザに報知を行うこととした。ただし、報知手段は、音声による報知に限らず、種々の表示手段、例えば、ＬＥＤなどの発光装置やディスプレイであってもよいし、種々の通信装置、例えば、電話装置やＥメール送信装置などであってもよい。こうして、第２実施例としての緩み対処処理は終了となる。
【００７３】
かかる構成の燃料電池システム２０は、指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上である場合に、その旨をユーザに報知するので、ユーザは、電解質膜４１の塑性変形が所定程度に達したこと、すなわち、電解質膜４１に所定程度の緩みが生じていることを容易に知ることができる。したがって、ユーザが燃料電池システム２０を修理に出すなどして、電解質膜４１の緩みを解消させるための対処を行えば、永久歪みの進行による発電性能の悪化を抑制することができる。
【００７４】
上述した第２実施例としての緩み対処処理では、塑性変形の程度を判断する基準値として、第１実施例と同じ値の閾値ＴＨ１を用いたが、この基準値は、第１実施例と異なっていてもよい。例えば、基準値を閾値ＴＨ１よりも小さい値として、より早期にユーザに報知する構成としてもよい。また、第２実施例としての緩み対処処理は、第１実施例としての緩み対処処理と組み合わせてもよい。例えば、算出した指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１よりも小さい予め定められた値以上となった場合に、まず、報知手段を用いて報知を行い、さらに、算出した指標値ＩＶｎが閾値ＴＨ１以上となった場合に、熱収縮部材５１を加熱して、電解質膜４１の緩みを緩和させてもよい。
【００７５】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について説明する。第３実施例としての燃料電池システム２０の構成は、概ね第１実施例と同一の構成である。第３実施例としての燃料電池システム２０が第１実施例と異なる点は、歪みゲージ３５３を備える点である。なお、第１実施例の燃料電池システム２０が備える抵抗測定部６５、温度センサ６６、加熱器７０は、いずれも省略可能である。また、第３実施例としての燃料電池システム２０は、緩み対処処理の流れが第１実施例と異なる。以下、第３実施例について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と共通する点については、説明を省略または簡略化する。
【００７６】
第３実施例としての燃料電池システム２０は、燃料電池スタック３０を構成する複数の単セル４０の１つに歪みゲージ３５３を備えている。なお、歪みゲージ３５３の数は、複数であっても構わない。歪みゲージ３５３は、図９（Ａ）に示すように、センサ部３５４と導電線３５５とを備えている。センサ部３５４は、電解質膜４１の積層面に貼り付けられている。導電線３５５は、一端側がセンサ部３５４に接続され、他端側が制御ユニット９０に接続されている。この歪みゲージ３５３は、測定対象である電解質膜４１が変形すると、これに追随して電解質膜４１に貼り付けられたセンサ部３５４が歪む。例えば、図９（Ｂ）に示すように、電解質膜４１が十分に吸湿し、膨張することで、電解質膜４１に緩みが生じた際には、センサ部３５４は、電解質膜４１の緩んだ形状に追随して変形する。このようにセンサ部３５４の形状に歪みが生じると、歪みの程度に応じてセンサ部３５４の抵抗値が変化する。制御ユニット９０は、取得部９１の処理として、センサ部３５４の抵抗値の変化を導電線３５５に流れる電流値の大きさの変化から検出し、その検出値に基づいて、電解質膜４１の変形量を測定する。
【００７７】
かかる歪みゲージ３５３の取付位置について説明する。本実施例では、歪みゲージ３５３は、電解質膜４１のセパレータ４７側の積層面、すなわち、カソード４３側に取り付けられている。セパレータ４７の概略構造を図１０に示す。図示するように、セパレータ４７のＭＥＡ側の表面には、酸化ガスの流路となる凹部４９が形成されている。図示するセパレータ４７では、凹部４９は、略矩形のセパレータ４７の短辺の一端側から他端側へ直線的に複数形成されている。歪みゲージ３５３は、この凹部４９を流れる酸化ガスの下流側の位置Ｐ１に対応する領域に取り付けられている。この位置Ｐ１は、凹部４９に対応する位置でもあり、また、重力方向の下方側の位置でもある。なお、上述した形態では、歪みゲージ３５３は、電解質膜４１のセパレータ４７側の面に取り付けられているが、セパレータ４６側の面、すなわち、アノード４２側に取り付けられていてもよい。なお、ガス拡散層４５とセパレータ４７との間にラスメタルなどの多孔質部材からなる流路層を配置する場合には、流路層とセパレータ４７との非接触領域に対応する位置に歪みゲージ３５３を設けてもよい。
【００７８】
かかる位置に歪みゲージ３５３が取り付けられた単セル４０は、本実施例では、燃料電池スタック３０を構成する複数の単セル４０のうちの、単セル４０の積層方向の端部に配置される。このように、歪みゲージ３５３を位置Ｐ１に対応する位置に取り付け、歪みゲージ３５３を取り付けた単セル４０を燃料電池スタック３０の端部に配置する理由については、本実施例の効果として後述する。
【００７９】
以上、第３実施例としての燃料電池システム２０が備える単セル４０の構成について説明したが、セパレータ４７は、種々の形状を採用することができる。例えば、図１１に示すセパレータ４７ａの形状を採用してもよい。具体的には、略矩形のセパレータ４７ａにおいて、短辺の一端側と他端側とを蛇行する１つの流路を形成するように凹部４９ａが形成されていてもよい。かかるセパレータ４７ａを用いる場合には、歪みゲージ３５３は、例えば、図示する位置Ｐ２に対応する位置に取り付けることが望ましい。位置Ｐ２は、凹部４９ａを流れる酸化ガスの下流側の位置であり、また、凹部４９ａに対応する位置、重力方向の下方側の位置である。
【００８０】
あるいは、図１２に示すセパレータ４７ｂの形状を採用してもよい。具体的には、略矩形の四隅が切り欠かれた形状を有するセパレータ４７ｂにおいて、短辺側の両端部は、その内部にエンボス加工によって凹部４９９ｂが形成され、２つの凹部４９９ｂ間を直線的に結ぶ複数の凹部４９ｂが形成されていてもよい。かかるセパレータ４７ｂを用いる場合には、歪みゲージ３５３は、例えば、図示する位置Ｐ３に対応する位置に取り付けることが望ましい。位置Ｐ３は、酸化ガスの下流側の位置であり、また、凹部４９９ｂに対応する位置、重力方向の下方側の位置である。
【００８１】
かかる第３実施例としての燃料電池システム２０における緩み対処処理の流れを図１３に示す。なお、図１３において、第１実施例（図３）と同様の処理内容については、図３と同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。第３実施例としての緩み対処処理は、燃料電池システム２０の発電運転の起動を契機として開始される。図示するように、緩み対処処理が開始されると、制御ユニット９０は、まず、取得部９１の処理として、燃料電池システム２０の暖機運転中に歪みゲージ３５３を用いて、電解質膜４１の塑性変形量ＰＬを測定する（ステップＳ４１０）。
【００８２】
本実施例における暖機運転は、電解質膜４１の含水量が所定以下である乾燥状態となるように制御して行われる。ここでの乾燥状態とは、電解質膜４１が吸湿して膨張することによって生じる一時歪みの影響を無視できる程度に電解質膜４１が乾いた状態をいい、例えば、電解質膜４１の湿度が３０％ＲＨ以下の状態である。かかる乾燥状態の電解質膜４１を模式的に図９（Ｃ）に示す。図示するように、図９（Ｃ）の電解質膜４１は、図９（Ｂ）に示した電解質膜４１と比べて、緩みの程度が小さくなっている。これは、電解質膜４１を乾燥状態にすることによって、電解質膜４１の一時歪みが解消され、電解質膜４１がほぼ永久歪み（塑性変形）のみに起因して緩んだ状態となっているからである。かかる乾燥状態において、歪みゲージ３５３を用いて電解質膜４１の変形量を測定することによって、電解質膜４１の塑性変形量ＰＬを精度良く測定することができる。
【００８３】
このような電解質膜４１の乾燥状態の制御は、例えば、電解質膜４１にドライガスを送気することによって実現することができる。ドライガスの送気は、例えば、酸化ガス供給・排出機構８２の酸化ガス供給経路に、吸湿材を備えた吸湿層内を流通させてから酸化ガスを供給するバイパス流路を設け、酸化ガス供給経路を当該バイパス流路に切り替えて酸化ガスを供給することによって行えばよい。なお、電解質膜４１の湿度制御は、電解質膜４１の湿度を直接的に計測することが困難な場合には、予め、単セル４０に供給する反応ガスの湿度、流量、圧力、温度等の動作条件と、電解質膜４１の湿度との関係を実験的に求めておき、電解質膜４１の湿度が所定以下となる動作条件で暖機運転を行うことによって実現することができる。
【００８４】
塑性変形量ＰＬを測定すると、制御ユニット９０は、測定した塑性変形量ＰＬが予め定めた閾値ＴＨ２以上であるか否かを判断する（ステップＳ４２０）。この閾値ＴＨ２は、電解質膜４１の塑性変形が進行して、上述した膜シワが発生する変形量よりも変形量が小さい範囲で実験的に設定することができる。例えば、第１実施例で図５に示した実験結果を用いれば、閾値ＴＨ２は、歪み率４％や５％などと設定することができる。
【００８５】
判断の結果、塑性変形量ＰＬが閾値ＴＨ２未満であれば（ステップＳ４２０：ＮＯ）、電解質膜４１は、膜シワが発生するおそれがある程度には塑性変形を生じていないということであるから、制御ユニット９０は、緩み対処処理を終了する。一方、塑性変形量ＰＬが閾値ＴＨ２以上であれば（ステップＳ４２０：ＹＥＳ）、電解質膜４１は、膜シワが発生するおそれがある程度に塑性変形しつつあるということであるから、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、加熱器７０を用いて熱収縮部材５１を加熱し、電解質膜４１の緩みを緩和させる（ステップＳ１４０）。
【００８６】
こうして、第３実施例としての緩み対処処理は終了となる。なお、塑性変形量ＰＬが閾値ＴＨ２以上である場合、第２実施例のように、ユーザに報知する構成を採用してもよいし、ユーザへの報知と上記ステップＳ１４０とを段階的に実行する構成としてもよい。さらに、第１実施例の処理と組み合わせてもよい。具体的には、制御ユニット９０は、燃料電池システム２０の暖機運転持には、上述した第３実施例としての緩み対処処理を実行し、燃料電池システム２０の通常運転（定格運転温度付近での運転）時には、第１実施例や第２実施例としての緩み対処処理を実行してもよい。こうすれば、燃料電池システム２０の起動時と通常運転時の両方において、電解質膜４１の塑性変形の程度を検知し、必要に応じて対処動作を行うことができるので、好適である。
【００８７】
かかる構成の燃料電池システム２０は、乾燥状態の電解質膜４１の変形の程度を測定するので、電解質膜４１の一時歪みがほぼ解消され、永久歪みが残った状態の電解質膜４１の変形の程度を測定することができる。したがって、塑性変形の程度を直接的に計測した指標値である塑性変形量ＰＬを用いて、電解質膜４１の永久歪みの進行を好適に検知することができる。
【００８８】
また、燃料電池システム２０は、歪みゲージ３５３が、反応ガスの流れの下流側の位置Ｐ１に対応する領域の電解質膜４１に取り付けられる。反応ガスの下流側では、上流側に比べて反応ガスが多くの水分を含み、電解質膜４１の含水量も多くなるので、電解質膜４１の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜の塑性変形が生じやすい。しかも、位置Ｐ１は、重力方向の下方側であるから、上方側に比べて重力によって水分が移行しやすく、電解質膜４１の含水量が多くなるので、電解質膜４１の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜４１の塑性変形が生じやすい。さらに、位置Ｐ１は、セパレータ４７の凹部４９に対応する電解質膜４１の位置であるから、その他の位置に比べて電解質膜４１に作用する面圧が小さくなるので、電解質膜４１が変形しやすい。以上のように、単セル４０のうちで電解質膜４１が変形しやすい領域に歪みゲージ３５３を設けることによって、電解質膜４１が塑性変形して生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。また、歪みゲージ３５３を多数設ける必要がないので、発電への影響を最小限に抑制することができる。
【００８９】
また、燃料電池システム２０は、燃料電池スタック３０を構成する複数の単セル４０のうちの端部に配置された単セル４０に歪みゲージ３５３が設けられる。燃料電池スタック３０の端部は、中央部に比べて発電温度が低下しやすいので、電解質膜４１の含水量が多くなりがちであり、その結果、電解質膜４１の吸湿による変形量が大きくなり、電解質膜４１の塑性変形が生じやすい。したがって、複数の単セル４０のいずれかの電解質膜４１に生じる永久歪みの進行を早期に検知することができる。また、全ての単セル４０に歪みゲージ３５３を設けなくても、塑性変形の検知を精度良く行えるので、効率的である。
【００９０】
Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例について説明する。第４実施例としての燃料電池システム２０の構成は、概ね第１実施例と同一の構成である。第４実施例としての燃料電池システム２０が第１実施例と異なる点は、面圧センサ５１１を備える点である。なお、第１実施例の燃料電池システム２０が備える抵抗測定部６５、温度センサ６６、加熱器７０は、いずれも省略可能である。また、第４実施例としての燃料電池システム２０は、緩み対処処理の流れが第１実施例と異なる。以下、第４実施例について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と共通する点については、説明を省略または簡略化する。
【００９１】
第４実施例としての燃料電池システム２０は、燃料電池スタック３０を構成する複数の単セル４０の１つに複数の面圧センサ５１１を備えている。本実施例における面圧センサ５１１の取り付け位置を図１４に示す。図１４（Ａ）に示すように、複数の面圧センサ５１１は、カソード４３側のガス拡散層４５とセパレータ４７との間で、積層面の上下方向に沿って配列されている。本実施例では、面圧センサ５１１の数は１０個としている。なお、面圧センサ５１１の個数や配列方向は特に限定するものではない。例えば、面圧センサ５１１を横方向に配列したり、斜め方向に配列したりしてもよく、また、複数の方向を組み合わせて配列してもよい。また、面圧センサ５１１は、アノード４２側に設けてもよい。
【００９２】
この面圧センサ５１１を積層面側から見れば、図１４（Ｂ）に示すように、単セル４０の発電領域の中央部に重力方向に沿って配列されている。これらの面圧センサ５１１の検出値は、制御ユニット９０に出力される。なお、面圧センサ５１１は、電解質膜４１の変形を十分に検知でき、かつ、変形を阻害しにくい位置に設けることが望ましい。このようなことから、本実施例では、図１４（Ａ）に示したように、面圧センサ５１１をガス拡散層４５の内部に埋め込んでいる。また、面圧センサ５１１は、第３実施例と同様に、電解質膜４１が変形しやすい単セル４０の領域に設けることが望ましく、複数の単セル４０のうちの電解質膜４１が変形しやすい単セル４０に設けることが望ましい。
【００９３】
面圧センサ５１１としては、例えば、静電容量の電気特性を利用して圧力を測定する静電容量方式を採用することができる。燃料電池スタック３０を一定の加圧力、例えば、１ＭＰａで締結固定した場合には、電解質膜４１に変形がなく平らであれば、各々の面圧センサ５１１には、１ＭＰａの面圧が加わる。かかる締結状態で電解質膜４１が変形して緩みが生じると、アノード４２およびカソード４３の電極間のギャップが変化し、その結果、電極間の静電容量が変化するため、面圧センサ５１１は、その静電容量の変化を圧力の変化に変換して出力する。したがって、図１４に示したように、面圧センサ５１１を複数個配列することにより、配列方向における電解質膜４１の変形を面圧の変化（上昇）として検知することができる。
【００９４】
かかる第４実施例としての燃料電池システム２０における緩み対処処理の流れを図１５に示す。なお、図１５において、第１実施例（図３）と同様の処理内容については、図３と同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。第４実施例としての緩み対処処理は、燃料電池システム２０の発電運転の起動を契機として開始される。図示するように、緩み対処処理が開始されると、制御ユニット９０は、まず、取得部９１の処理として、燃料電池システム２０の暖機運転中に面圧センサ５１１の各々を用いて、電解質膜４１の面圧Ｐｎ（ｎは、Ｎ個のセンサのうちの１〜Ｎの値、ここでは、ｎ＝１〜１０）を測定する（ステップＳ５１０）。ステップＳ５１０での暖機運転は、上述した第３実施例と同様に、電解質膜４１の含水量が所定以下である乾燥状態となるように制御して行われる。こうすることで、電解質膜４１の一時歪みが解消され、電解質膜４１がほぼ永久歪み（塑性変形）のみに起因して緩んだ状態となる。
【００９５】
面圧Ｐｎを測定すると、制御ユニット９０は、取得部９１の処理として、測定した面圧Ｐｎが閾値ＴＨ３を超えた面圧センサ５１１の数をカウント値Ｋとしてカウントする（ステップＳ５２０）。カウント値Ｋをカウントすると、カウント値Ｋが閾値ＴＨ４以上であるか否かを判断する（ステップＳ５３０）。上述した閾値ＴＨ３と閾値ＴＨ４とは、実験的に求める値である。具体的には、電解質膜４１の塑性変形が大きくなると、面圧Ｐｎが大きくなり、また、カウント値Ｋも大きくなるので、実験データに基づいて、膜シワが発生しない範囲で閾値ＴＨ３とＴＨ４とを適宜設定すればよい。本実施例では、閾値ＴＨ３は２ＭＰａ、閾値ＴＨ４は８個とした。なお、電解質膜４１の塑性変形の程度と、面圧Ｐｎやカウント値Ｋとの相関関係は、電解質膜４１の材質、締結条件、面圧センサ５１１の数や配置条件、動作環境等に応じて変化するので、実際の単セル４０と同一の構成の単セル４０を用いて実験を行うことが望ましい。
【００９６】
判断の結果、カウント値Ｋが閾値ＴＨ４未満であれば（ステップＳ５３０：ＮＯ）、電解質膜４１は、膜シワが発生するおそれがある程度には塑性変形を生じていないということであるから、制御ユニット９０は、緩み対処処理を終了する。一方、カウント値Ｋが閾値ＴＨ４以上であれば（ステップＳ５３０：ＹＥＳ）、電解質膜４１は、膜シワが発生するおそれがある程度に塑性変形しつつあるということであるから、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、加熱器７０を用いて熱収縮部材５１を加熱し、電解質膜４１の緩みを緩和させる（ステップＳ１４０）。
【００９７】
こうして、第４実施例としての緩み対処処理は終了となる。なお、カウント値Ｋが閾値ＴＨ４以上である場合、第３実施例と同様に、ユーザに報知する構成を採用してもよいし、ユーザへの報知と上記ステップＳ１４０とを段階的に実行する構成としてもよい。さらに、第１実施例の処理と組み合わせてもよい。
【００９８】
かかる構成の燃料電池システム２０は、乾燥状態の電解質膜４１の面圧Ｐｎを測定するので、その測定面圧Ｐｎは、電解質膜４１の一時歪みがほぼ解消され、永久歪みが残った状態で測定された面圧である。かかる条件で測定された電解質膜４１の面圧Ｐｎは、電解質膜４１と他の部材との接触状況、すなわち、電解質４１膜の変形の状況に応じて変化するので、電解質膜４１の塑性変形の程度に対応した好適な指標値となり、電解質膜４１の永久歪みの進行を好適に検知することができる。また、複数の面圧Ｐｎで永久歪みの進行を検知するので、精度が良い。
【００９９】
Ｅ．他の実施形態：
本発明の他の実施形態について説明する。上述した実施例においては、電解質膜４１の塑性変形を許容し、塑性変形の程度に対応した指標値を用いて、膜シワが発生する前に制御ユニット９０が対処動作を行う構成について示したが、以下に説明する実施形態においては、電解質膜４１の塑性変形を許容せずに、塑性変形の発生前に対処動作を行う構成について説明する。他の実施形態としての燃料電池システム２０の構成は、第３実施例と概ね同一の構成を有しており、第２実施例で説明した報知手段を備えている点が第３実施例と異なる。また、緩み対処処理の流れが第３実施例と異なる。以下、他の実施形態について、上述の実施例と異なる点についてのみ説明し、上述の実施例と共通する点については、説明を省略または簡略化する。
【０１００】
他の実施形態としての燃料電池システム２０における緩み対処処理の流れを図１６に示す。なお、図１６において、上述の実施例と同様の処理内容については、上述の実施例の説明図と同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。他の実施形態としての緩み対処処理は、燃料電池システム２０の発電運転を起動し、通常運転に達したことを契機として開始される。図示するように、緩み対処処理が開始されると、制御ユニット９０は、まず、取得部９１の処理として、燃料電池システム２０の通常運転中に歪みゲージ３５３を用いて、電解質膜４１の変形量ＤＬを測定する（ステップＳ６１０）。この処理は、通常運転中に行われるので、すなわち、電解質膜４１が吸湿した状態で行われるので、変形量ＤＬは、電解質膜４１の一時歪みと永久歪みとを含んでいる。
【０１０１】
変形量ＤＬを測定すると、制御ユニット９０は、変形量ＤＬが閾値ＴＨ５以上であるか否かを判断する（ステップＳ６２０）。この閾値ＴＨ５は、電解質膜４１に塑性変形が発生しない範囲の変形量で設定される。閾値ＴＨ５の設定方法については、後述する。
【０１０２】
判断の結果、変形量ＤＬが閾値ＴＨ５未満であれば（ステップＳ６２０：ＮＯ）、電解質膜４１は、塑性変形が発生するおそれがある程度には変形を生じていないということであるから、制御ユニット９０は、緩み対処処理を終了する。一方、変形量ＤＬが閾値ＴＨ５以上であれば（ステップＳ６２０：ＹＥＳ）、電解質膜４１は、塑性変形が発生するおそれがある程度に変形しつつあるということであるから、制御ユニット９０は、対処部９２の処理として、燃料電池システム２０が備える報知手段を用いて、変形量ＤＬが閾値ＴＨ５以上であることをユーザに報知する（ステップＳ２４０）。こうして、緩み対処処理は終了となる。
【０１０３】
かかる構成の燃料電池システム２０は、電解質膜４１の変形量が所定値以上となると、塑性変形が生じる前にユーザに報知するので、ユーザは、早期に電解質膜４１の緩みについて対処を行うことができ、永久歪みによる発電性能の悪化を抑制することができる。なお、かかる構成は、上述した実施例の構成と組み合わせることも可能である。
【０１０４】
上述した閾値ＴＨ５の設定方法について説明する。電解質膜４１が吸湿による膨張に伴って変形し、緩みを生じた状態を図１７に示す。図示する電解質膜４１は、うねりが生じた状態を示している。図示するうねりは、ガス拡散層４４側に隆起した形状とガス拡散層４５側に隆起した形状とを備えている。以下では、一方の方向に隆起した部分をうねりの最小単位ＭＵという。うねりの最小単位ＭＵにおけるうねり幅Ｗは、次式（１）によって表すことができる。式（１）において、ｈは電解質膜４１の厚み、νはポアソン比、εは、電解質膜４１の歪み率である。また、うねり角度θは、次式（２）によって表すことができる。ここでＬは、最小単位ＭＵにおける電解質膜４１のうねりの内側の実際の長さである。Ｌは、次式（３）によって表すことができる。
【０１０５】
【数１】
【数２】
【数３】
【０１０６】
このようなうねりは、うねり角度θが概ね３０度以下では、一時歪みとして生じるが、これよりもうねり角度θが大きくなると、塑性変形して、永久歪みを生じる傾向にある。かかる塑性変形は、電解質膜４１の変形量が降伏点を超えると生じる。したがって、電解質膜４１に塑性変形が発生しない範囲の変形量で設定する閾値ＴＨ５は、電解質膜４１の降伏点を考慮して設定する必要がある。
【０１０７】
本実施例の電解質膜４１（膜厚２５μｍ）の歪み率εと、うねり幅Ｗおよびうねり角度θとの関係を図１８に示す。図１８に示すプロットは、式（１），（２）から算出したものである。図示するように、歪み率εが大きくなるにしたがって、うねり幅Ｗが小さくなり、一方、うねり角度θは大きくなる。また、電解質膜４１の膜厚ごとの歪み率εとうねり幅Ｗとの関係を図１９に示す。図示するように、膜厚が小さくなるにしたがって、同一値の歪み率εに対応するうねり幅Ｗは小さくなる。
【０１０８】
また、図１７に示した最小単位ＭＵからも明らかなように、電解質膜４１の内側（変形と反対の方向）の長さと外側（変形の方向）の長さは異なり、外側の方が長くなる。換言すれば、歪み率εは、電解質膜４１の内側と外側とで異なる。電解質膜４１の内側と外側との長さの差の半分をΔｘとすれば、Δｘは、次式（４）で求めることができる。また、内側の歪み率εｉｎと外側の歪み率εｏｕｔとは、式（３）を変換して、次式（５），（６）によってそれぞれ求めることができる。
【０１０９】
【数４】
【数５】
【数６】
【０１１０】
こうして求められる内側歪み率εｉｎと外側歪み率εｏｕｔとの関係を電解質膜４１の膜厚別に整理すれば、図２０のとおりとなる。図示するように、膜厚が小さいほど、内側の歪みに対して外側の歪みが大きくなることが分かる。なお、この例では、うねり角度θを２５度として外側歪み率εｏｕｔを算出している。ここで、本実施形態で用いた電解質膜４１の降伏点を図２１に示す。図示するように、この例では、引張歪みが０．１８のポイントにおいて降伏点が確認される。すなわち、歪み率が値０．１８を超えると、塑性変形が発生する。
【０１１１】
したがって、電解質膜４１に塑性変形が生じない範囲で閾値ＴＨ５を設定するためには、図２０に示した膜厚２５μｍの電解質膜４１であれば、内側歪み率εｉｎと外側歪み率εｏｕｔとのうちの、相対的に値が大きい外側歪み率εｏｕｔが値０．１８未満となる範囲で閾値ＴＨ５を設定すればよい。図２０によれば、外側歪み率εｏｕｔが値０．１８のとき、内側歪み率εｉｎは、値０．１よりも僅かに大きい値であるから、閾値ＴＨ５は、例えば、値０．１で設定すればよい。このように、閾値ＴＨ５を最終的に内側歪み率εｉｎの値から設定するのは、歪みゲージ３５３は、いずれの方向に歪むかが不確定であるので、いずれの方向に歪んでも塑性変形が生じないようにするためである。
【０１１２】
上述したように、電解質膜４１の最小単位ＭＵのうちの外側の変形量が、電解質膜４１の降伏点に対応する歪み量以下となるように閾値ＴＨ５を設定すれば、電解質膜４１の塑性変形が生じる手前の状態を検知する精度を向上させることができる。その結果、ユーザは、上述した緩み対処処理の報知に応じて必要な対処を講じることにより、高い精度で塑性変形の発生を抑制することが可能となる。このようにして、塑性変形の発生を抑制すれば、発電性能の確保という燃料電池全般に共通する課題を解決することができる。
【０１１３】
Ｆ.変形例：
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｆ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、加熱器７０は、熱収縮部材５１を間接的に加熱する構成としたが、熱収縮部材５１を直接的に加熱する構成としてもよい。例えば、熱収縮部材５１に電熱線を埋め込んでもよい。勿論、直接的かつ間接的に加熱する構成であってもよい。
【０１１４】
Ｆ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、熱収縮部材５１は、電解質膜４１とは別体で構成したが、熱収縮部材５１は、電解質膜４１と一体に構成してもよい。例えば、電解質膜４１の周縁部に対して、熱収縮特性を有するように加工処理を行い、電解質膜４１の周縁部自体が熱収縮部材で形成されていてもよい。あるいは、電解質膜４１全体が熱収縮部材で形成されていてもよい。
【０１１５】
Ｆ−３．変形例３：
上述の実施形態においては、熱収縮部材５１は、所定の加工処理がなされた単一の部材で構成されたが、相互に異なる複数の熱処理温度で収縮するように加工された複数の部材で構成されてもよい。かかる場合、例えば、熱収縮部材５１をガスケット５２の方向（積層面の外縁側）に向かって複数層に構成してもよい。あるいは、アノード４２側に固定された第１の層と、カソード４３側に固定された第２の層とで構成してもよい。これらの構成とすれば、緩み対処処理において熱収縮部材５１を加熱するたびに、加熱器７０による加熱温度を徐々に上げていけば、複数回にわたって、電解質膜４１の緩みを緩和することが可能となり、利便性が向上する。
【０１１６】
Ｆ−４．変形例４：
上述の実施形態において、歪みゲージ３５３や面圧センサ５１１は、１つの単セル４０のみに設置する構成としたが、複数の単セル４０、例えば、１つおきの単セル４０や全ての単セル４０に設置してもよい。こうすれば、電解質膜４１の変形についての検知精度を向上させることができる。
【０１１７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を用いた燃料電池、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池に共通して適用することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
２０…燃料電池システム
３０…燃料電池スタック
４０…単セル
４１…電解質膜
４２…アノード
４３…カソード
４４，４５…ガス拡散層
４６，４７，４７ａ，４７ｂ…セパレータ
４８，４９，４９ａ，４９ｂ…凹部
５１…熱収縮部材
５２…ガスケット
６１…ターミナル
６２…インシュレータ
６３…エンドプレート
６５…抵抗測定部
６６…温度センサ
７０…加熱器
８１…燃料ガス供給・排出機構
８２…酸化ガス供給・排出機構
８３…冷却水供給・排出機構
９０…制御ユニット
９１…取得部
９２…対処部
３５３…歪みゲージ
３５４…センサ部
３５５…導電線
４９９ｂ…凹部
５１１…面圧センサ
ＯＲ…出力要求
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池と、
前記特性に起因して生じる前記電解質膜の塑性変形の程度に対応した指標値を取得する取得部と、
前記取得した指標値が所定値以上である場合に、予め定められた対処動作を行う対処部と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記取得部は、前記電解質膜の含水の程度との相関を有する前記燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて、前記指標値を算出する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記取得部は、
前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部を備え、
前記電解質膜の含水の程度が所定以下である乾燥状態で前記面圧測定部が測定した面圧に基づいて、前記指標値を取得する
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、
前記取得部は、
前記電解質膜に固定され、該電解質膜の変形の程度を測定する歪みゲージを有する歪み測定部を備え、
前記電解質膜の含水の程度が所定以下である乾燥状態で前記歪み測定部が測定した変形の程度を前記指標値として取得する
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記電解質膜の外縁部は、所定以上の温度に加熱することによって収縮する熱収縮部材によって固定され、
前記対処部は、
前記熱収縮部材を加熱する加熱部を備え、
前記加熱部は、前記対処動作として、前記熱収縮部材を加熱して収縮させ、前記電解質膜に前記外縁部に向けた張力を生じさせる
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記電解質膜の少なくとも外縁部は、所定以上の温度に加熱することによって収縮する熱収縮部材によって形成され、
前記対処部は、
前記熱収縮部材を加熱する加熱部を備え、
前記加熱部は、前記対処動作として、前記熱収縮部材を加熱して収縮させ、前記電解質膜に前記外縁部に向けた張力を生じさせる
燃料電池システム。
【請求項７】
前記対処部は、前記対処動作として、前記取得した指標値が所定値以上であることをユーザに報知する報知手段を備えた請求項１ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記歪みゲージは、前記電解質膜のうちの、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流れの下流側に対応する領域に設けられた請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記歪みゲージは、前記電解質膜のうちの、重力方向の下方側の領域に設けられた請求項４または請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項４、請求項８、請求項９のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、発電の最小単位である単セルが複数積層された燃料電池スタックとして構成され、
前記歪みゲージは、前記複数の単セルのうちの、前記積層の方向の端部に配置された前記単セルに設けられた
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項４、請求項８ないし請求項１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記電解質膜を間に挟んで配置された一対のセパレータを備え、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方のセパレータは、該セパレータの前記電解質膜側の表面に、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流路となる凹部が形成され、
前記歪みゲージは、前記凹部に対応する位置の前記電解質膜に設けられた
燃料電池システム。
【請求項１２】
吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池において、該電解質膜の塑性変形の程度を推定する推定方法であって、
前記電解質膜の含水の程度との相関を有する前記燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて算出される指標値を用いて、前記塑性変形の程度を推定する推定方法。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池と、
前記特性に起因して生じる前記電解質膜の塑性変形の程度に対応した指標値を取得する取得部と、
前記取得した指標値が所定値以上である場合に、予め定められた対処動作を行う対処部と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記取得部は、前記電解質膜の含水の程度との相関を有する前記燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて、前記指標値を算出する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記取得部は、
前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部を備え、
前記電解質膜の含水の程度が所定以下である乾燥状態で前記面圧測定部が測定した面圧に基づいて、前記指標値を取得する
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、
前記取得部は、
前記電解質膜に固定され、該電解質膜の変形の程度を測定する歪みゲージを有する歪み測定部を備え、
前記電解質膜の含水の程度が所定以下である乾燥状態で前記歪み測定部が測定した変形の程度を前記指標値として取得する
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記電解質膜の外縁部は、所定以上の温度に加熱することによって収縮する熱収縮部材によって固定され、
前記対処部は、
前記熱収縮部材を加熱する加熱部を備え、
前記加熱部は、前記対処動作として、前記熱収縮部材を加熱して収縮させ、前記電解質膜に前記外縁部に向けた張力を生じさせる
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記電解質膜の少なくとも外縁部は、所定以上の温度に加熱することによって収縮する熱収縮部材によって形成され、
前記対処部は、
前記熱収縮部材を加熱する加熱部を備え、
前記加熱部は、前記対処動作として、前記熱収縮部材を加熱して収縮させ、前記電解質膜に前記外縁部に向けた張力を生じさせる
燃料電池システム。
【請求項７】
前記対処部は、前記対処動作として、前記取得した指標値が所定値以上であることをユーザに報知する報知手段を備えた請求項１ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記歪みゲージは、前記電解質膜のうちの、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流れの下流側に対応する領域に設けられた請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記歪みゲージは、前記電解質膜のうちの、重力方向の下方側の領域に設けられた請求項４または請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項４、請求項８、請求項９のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、発電の最小単位である単セルが複数積層された燃料電池スタックとして構成され、
前記歪みゲージは、前記複数の単セルのうちの、前記積層の方向の端部に配置された前記単セルに設けられた
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項４、請求項８ないし請求項１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記電解質膜を間に挟んで配置された一対のセパレータを備え、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方のセパレータは、該セパレータの前記電解質膜側の表面に、前記燃料電池の電気化学反応に供する反応ガスの流路となる凹部が形成され、
前記歪みゲージは、前記凹部に対応する位置の前記電解質膜に設けられた
燃料電池システム。
【請求項１２】
吸湿によって膨張する特性を有する電解質膜を備えた燃料電池において、該電解質膜の塑性変形の程度を推定する推定方法であって、
前記電解質膜の含水の程度との相関を有する前記燃料電池の発電の状況を表すパラメータの経時的な値に基づいて算出される指標値を用いて、前記塑性変形の程度を推定する推定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図６】
【図２】
【図３】
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【図７】
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【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
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【図６】
【公開番号】特開２０１２−５４１１９（Ｐ２０１２−５４１１９Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９６２８８（Ｐ２０１０−１９６２８８）
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【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２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【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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